（细胞生物学专业论文）鸮形目两种鸟类线粒体基因组比较研究.pdf

鹘形目两种鸟类线枉体基因组比较研究 鹗形目两种鸟类线粒体基因组比较研究 孙毅 ( 辽宁师范大学生命科学学院大连 l1 6 0 2 9 ) 摘要：本论文主要测定了鹗形目两种鸟类的线粒体基因组全序列，从比较基因组学的 角度对鹗形目鸟类的线粒体基因组结构进行了研究分析，并对鸟类线粒体调控区的结构 特征，起源进化和生理意义等进行了比较和探讨。 利用l o n g p c r 和p r i m e rw a l k i n g 结合克隆测序法对短耳鹦和长耳鹗线粒体基因组 进行了全序列测定。结果表明：短耳鹗m t d n a 序列全长为1 8 ，8 5 8 b p ，长耳鹗m t d n a 全 长为1 8 ，4 9 3 b p ，其中短耳鹳m i d n a 是目前世界上已知展大的鸟类线粒体基因组。两种 鹨类的基西组结构和基因排列顺序与家鸡相同，无假调控区，在n d 3 基因1 7 4 位点都 存在一个额外插入的胞苷酸( c ) ，碱基组成表现出较明显的a t 偏向。其基因间的间隔 和重叠碱基数目，编码蛋白基因的起始和终止密码子使用偏好等均具有定的种属特 性。调控区序列异常增大是造成这两种鸟类m t d n a 异常增大的主要原因，短耳鹦调控 区长度为3 ，2 8 8 b p ，长耳鹦为2 ，9 2 6 b p ，这是目前已知的脊椎动物线粒体基因组中仅次子 盲鳗的最大的调控区。 两种鹗类调控区的碱基组成和基本结构与其它鸟类相似，其可分为三个区：d o m a i n i - i i i 。d o m a i ni 和d o m a i n l i i 区碱基变异程度较大，d o m a i n i i 区则相对保守。三个区 内均存在一些序列保守的功能框，有些是在脊椎动物中普遍存在的，有些则是鸟类所特 有的。在两种鹑类调控区3 端存在大量的串联重复序列，短耳鹦中为1 2 6 b p 单元重复7 次和7 8b p 单元重复1 4 次，两段重复区之间有9 9 b p 间隔，；长耳鹗中为1 2 7 b p 单元重 复8 次和7 8 b p 单元重复7 次，重复区之间有5 5 b p 间隔。两种鹗类间相应单元重复区的 序列相似性较高可能有着共同的起源。分析发现这两种鹗类的重复j 芋列和m t 5 调控 元件有较高的序列相似性，且能形成热力学稳定的多重茎环二级结构。莺复序列的产生 机制，可能是由于链的滑动错配所导致，与m t d n a 复制过程中聚合酶的活动受到阻碍 有关。通过对脊椎动物线粒体调控区中的串联重复序列进行比较分析，认为重复序列并 非完全是冗余序列，而可能具有特定的生物学功能，影响线粒体基因组的复制或转录表 鹑形目两种鸟类线粒体基因组比较研究 达的调控，从而使相应物种具有更大的选择优势，以适应环境和生存竞争。 关键词：线粒体基因组；调控区；重复序列；二级结构 6 鹗形目两种鸟类线粒体基因组比较研究 c o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft h ec o m p l e t em i t o c h o n d r i a l g e n o m e ss e q u e n c e so f a s i o f l a m m e u sa n da s i oo t u s s u n y i ( d e p a r t m e n to f b i o l o g y , l i a o n i n gn o r m a lu n i v e r s i t y , d a l i a n ，11 6 0 2 9 ) a b s t r a c t ：i nt h i sp a p e r , t w oa v i a nc o m p l e t em i t o c h o n d r i a lg e n o m e so fs t r i g i f o r m e sw e r e s e q u e n c e da n da n a l y z e d t h es t r a c t u r e ，e v o l u t i o na n df u n c t i o no fc o n t r o lr e g i o n so fa v i a n m t d n a w e r ea l s od i s c u s s e d t h ec o m p l e t em i t o c h o n d r i a lg e n o m e so fa s i of l a m m e u sa n da s i oo t u sw e r es e q u e n c e d a n df o u n dt os p a n1 8 ，8 5 8b pa n d1 8 ，4 9 3b p ，r e s p e c t i v e l y i ti ss u r p r i s i n gt of i n dt h ef o r m e rt o b et h el a r g e s ta m o n ga l la v i a nm i t o c h o n d r i a lg e n o m e ss e q u e n c e ds of a r t h et w og e n o m e s h a v ev e r ys i m i l a rg o n eo r d e rw i t ht h a to fg a l l u sg a l t u s ，n e i t h e rc o n t a i n st h ep s e u d oc o n t r o l r e g i o n ，b u tb o t hh a v eas i n g l ee x t r ab a s e ，n a m e l yc y t i d i n e ，a tp o s i t i o n1 7 4i nn d 3g e n e t h e n u c l e o t i d ec o n t e n t sa r eo b v i o u s l ya tb i a s e d t h el e n g t h so fi n t e r g e n i cs p a c e r sa n do v e r l a p g e n e s ，a sw e l la st h es t a r tc o d o na n ds t o pc o d o nu s a g ei nt h et w oo w l sa r es p e c i a li ns o m e s p e c i e s t h ec o n t r o lr e g i o n so fa s i of l a m m e u ja n da s i oo m s m i t o c h o n d r i a lg e n o m e ss p a n 3 2 8 8b pa n d2 9 2 6b pr e s p e c t i v e l y , w h i c ha r e t h el o n g e s ta m o n gv e r t e b r a t e se x c e p tf o r m y x i n eg l u t i n o s aa n dc o n t r i b u t et ot h el a r g es i z eo f t w og e n o m e s t h eb a s ec o m p o s i t i o na n do r g a n i z a t i o no f c o n t r o lr e g i o no f a s i o f l a m m e u sa n d a s i oo t u s a r et h es a n l ea st h eo t h e rr e p o r t e db i r d s b a s e do nt h ed i f f e r e n t i a lf r e q u e n c i e so fb a s e s u b s t i t u t i o n s ，t h em i t o c h o n d r i a lc o n t r o lr e g i o nm a y b ed i v i d e di n t ot h r e ed o m a i n s ：d o m a i ni m c o m p a r e dw i t ho t h e rb i r d s ，m o s to ft h ev a r i a f i o mw i t h i nt h e c o n 缸 o lr e g i o na r e c l u s t e r e dw i t h i nd o m a i n sia n d1 1 i w h i l ed o m a i ni i i sc o n s e r v e d s o m ec o n s e r v e d s e q u e n c em o t i f sa r ca l s of o u n di na l lt h r e ed o m a i n so f c o n t r o lr e g i o no f t h et w oo w l s t h e3 e n do fc o n t r o lr e g i o no ft h et w oo w l sc o n t a i n sm a n yr e p e a t e ds e q u e n c e s i na s i o f l a m m e u s ， t h er e p e a t e ds e q u e n c e sc o n s i s t e do fa1 2 6b ps e q u e n c er e p e a t e ds e v e nt i m e sa n da7 8b p s e q u e n c er e p e a t e d1 4t i m e s t h e r ea r e9 9b ps p a c e r sb e t w e e nt h et w os e t so fr e p e a t s t h e c o n t r o lr e 西o no fa s i o0 船h a sa l s ob e e nf o t m dt oc o n t a i nt w os e t so fr e p e a t s ：a1 2 7b p s e q u e n c er e p e a t e de i g h tt i m e sa n da7 8b ps e q u e n c er e p e a t e ds e v e nt i m e s ，w i t h5 5b ps p a c e r s b e t w e e nt h et w os e t so fr e p e a t s i ti sc l e a rt h a tt h ec o r r e s p o n d i n gr e p e a t e du n i t so ft h et w o 7 鸭彤目两种鸟类线粒体基因组比较研究 o w l sh a v eh i g hh o m o l o g y , w h i c hi m p l i e st h a tt h e ym a yh a v eac o i t l q 2 0 no r i g i n i nt h i ss t u d y ， w ef o u n dt h a tt h er e p e a t e ds e q u e n c e sa r eh i g h l ys i m i l a rt oap u t a t i v ec o n t r o le l e m e n t i e m t 5 ，a n dm a yf o r ms t a b l es t e m l o o ps e c o n d a r ys t r u c t u r e s a tp r e s e n t ，r e p l i c a t i o ns l i p p a g e ， t h ed o m i n a n tm e c h a n i s m ，h a sb e e np r o p o s e dt oa c c o u u tf o rt h eo d i no ft a n d e mr e p e a t t h e r e f o r e ，t a n d e m l yr e p e a t e ds e q u e n c e si nt h em t d n ac o n t r o lr e g i o na l em o r el i k e l yt ob e g e n e r a t e di t lt h er e g i o h sw h e r et h ep o l y m e m s ea c t i v t yi sd i s r u p t e d r e p e a t e ds e q u e n c e sh a v e b e e ng e n e r a l l yc o n s i d e r e da sr e d u n d a n c yi nm t d n a i nt h i ss t u d y , h o w e v e r , w ef o u n dt h a t s u c hr e p e a t e ds e q u e n c e sp r o b a b l yp l a ya l li m p o r t a n tr o l ei nr e g u l a t i n gt r a n s c r i p t i o na n d r e p l i c a t i o no fm i t o c h o n d r i a lg e n o m e a c q u i s i t i o no fs u c ha b i l i t yh a sc o n s e q u e n t l yi m p r o v e d s e l e c t i o na d v a n t a g eo fs p e c i e sa b o v ed u r i n ge v o l u t i o n o u rr e s u l t sm a yp r o v i d ei m p o r t a n t c l u e sf o ru n c o v e r i n gt h eo r i g i na n de v o l u t i o nm e c h a n i s m so f m i t o c h o n d r i o ng e n o m e k e y w o r d s ：m l t o e h o n d r i a lg e n o m e ；c o n t r o lr e g i o n ；r e p e a ts e q u e n c e ；s e c o n d a r y s t r u c t u r e 8 鸭形目两种鸟类线粒体基因组比较研究 1 文献综述 随着分子生物学技术的发展，分子进化己成为近年来进化生物学研究中的一个重要 方面。由于鸟类的形态进化或表型进化相对来说比较清晰，在分子进化研究中就自然成 为比较受重视的对象。另一方面，在形态分类研究中，由于存在趋同进化等因素的干 扰，使不同的分类学家对动物性状的看法并不一致，因而分类学问题长期得不到解决”】， 这种问题也存在于鸟类学的研究中。虽然有关鸟类分类及进化的许多有意义的结果是从 形态结构、生理特征及化石资料中得出的，但由于许多客观条件的限制，如形态特征信 息量的不足。趋同进化的干扰以及连续性化石标本的缺乏，使得传统的分类学方法有时 并不足以解决分类和系统进化中的一些疑点。相对而言，这些问题在分子系统学中可以 得到解决”】。d n a 不仅是主要的遗传物质，同时也是生物进化史的重要记录者，在研 究生物的进化历程，确定物种间的进化关系等方面，d n a 序列具有易于分析，含有丰 富的进化信息和易于获取等优点【4 j 。对于研究种间及种内进化关系和遗传多样性来说， 快速进化的线粒体d n a 是有效的分子标记。因此，从线粒体d n a 角度为鸟类的分类 及进化提供一些新的资料是十分必要的。 1 1 脊椎动物线粒体基因组的研究意义 线粒体是存在于绝大多数真核细胞内的种基本的、重要的细胞器，在细胞内执行 新陈代谢、细胞程序性死亡、疾病、老化等功能。线粒体在各种类型的细胞内数量、形 态都不尽相同，但其结构、主要功能与化学组分却是基本相同或相似的。脊椎动物线粒 体d n a ( m i t o c h o n d r i a ld n a ，m t d n a ) 是共价闭合的环状双链d n a 能进行自我复制， 是严格的母系遗传，在世代传递过程中不发生重组。由于它是真核细胞中分子量较小而 又易纯化的复制单位，所以它是研究d n a 结构及其基因表达的良好模型。r n t d n a 虽 然含有许多功能性的基因，基因组长度及组织结构十分保守，但一级结构的变化却十分 活跃，进化速率比典型的单拷贝核d n a 序列要快5 1 0 倍pj 。由于m t d n a 序列的高 度歧异可以有效地用以建立种内及不同种群之间的进化关系使其在高等动物微进化过 程研究中开拓了一个崭新的领域，特别是对于鸟类这样一个特化类群的进化及研究的特 殊要求，更显示出其独特的作用。m t d n a 已被广泛用于鸟类种群遗传学和进化遗传学 的研究，为从分子水平上解决鸟类的系统发育问题提供了理想的研究材料。 1 2 线粒俸基因组研究进展 1 2 1 线粒体d n 的蛆成和结构 1 2 1 1 脊椎动物线粒体d n 的结构特点 脊椎动物线粒体基因编码着大约2 2 个t l l n a ，大小2 个r r n a ，和1 3 个琉水性的蛋 白质多肽i 。这些多肽包括与线粒体内膜相结合的酶复合体的亚单位：细胞色素b ( c y t b ) 2 个a t p 酶的亚单位( a t p a s e 6 、a t p a s e 8 ) 、3 个细胞色素c 氧化酶的亚单位 ( c o i 、c o i i 、c 0 1 i ) 、7 个n a d h 还原酶复合体的亚单位( n d l ，一2 ，一3 ，一4 ，一 4 l 一5 和一6 ) 。其中除了n d 6 蛋白质基因和6 个t r n a ( g l u 、g i n 、a l a 、a s n 、c y s 、 鹗形目两种鸟类线粒体基因组比较研究 1 如) 基因是由轻链( l ) 编码外，其余大部分基因均由重链( h ) 编码( 在有些动物的 m t d n a 中所有的基因都是由一条链编码的，转录出一个长的多顺反子。但这种“多顺 反子模型”可能并不通用) 。 与核基因组相比，脊椎动物线粒体基因组结构具有一些独特的性质： ( 1 ) 基因的结构是一种非常节约的方式，基因排列极为紧密，除了调控区有非编 码区存在外，其余均为基因编码区。基因间的间隔区长度变化从1 3 0 个核苷酸不等， 但也有一些基因是连续的，还有一些基因是重叠的。所有基因均不含内含子。在某些情 况下终止子由p o l y a 加在己转录的r n a 上而形成。每一个核昔酸都有编码的功能。基 因转录以形成长的多顺反子形式进行。 ( 2 ) 线粒体基因组的解码由一个很小的t r n a 体系完成，面不像在核基因组摆动 假说中所要求的那样，需要在3 2 个t r n a 反密码子上的摆动。 ( 3 ) 基因编码也有不同于核d n a 编码的方式，启动子和终止子是无间隔连接的， 有时甚至重叠好几个碱基。有许多报道认为，基因间的同义区密码子编码的变换，是通 过r n a 自我剪接来完成。 1 2 2 2 鸟类线粒体d n 的鳍构特点 1 9 9 0 年，d e s j a r d i n s 和m o r a l s 以家鸡p 为材料，测出了第一个鸟类线粒体基因组全 序列，全长1 6 7 7 5 b p 。和其它脊椎动物m t d n a 一样，鸟类m t d n a 也包含2 2 个t r n a 基因，2 个r r a n a 基因和1 3 个蛋白质基因，其中n d 6 基因和6 个t r n a ( g l u 、g i n 、 a l a 、a s n 、c y s 、t y r ) 基因由轻链编码，其余基因均都由重链编码。基因排列紧密， 没有或很少有基因间隔序列，所有基因都不含内含子。除1 2 k b 的非编码区外，接个 基因组都有编码功能。 与两栖和哺乳类m t d n a 相比，鸟类的m t d n a 在基因组序列上有较大的不同( 图 1 ) 。首先轻链复制起始点( o l ) 是普遍存在于脊椎动物线粒体基因组t p , n a c ”和t p , n a “ 基因间的3 0 - - - 3 3 个核苷酸的非编码序列，这段序列有可能形成稳固的茎环结构，在脊 椎动物m t d n a 中是保守的，但在鸟类中缺少了这一结构。铡如，在家鸡中t r n a q 和 t r n a “基因间仅有一个核苷酸的间隔，在日本鹌鹑的m t d n a 中也发现了同样的情况。 对家鸡m t d n a 全序列进行搜索，但未能发现有与哺乳动物及两栖动物m t d n a 的l 链 复制起始点相似的序列或结构。那么有可能：如果在鸟类的m t d n a 中需要有特定的结 构来起始l 链的合成，那这可能是鸟类所特有的，且和哺乳动物及两栖动物m t d n a 的 l 链复制起始点在一级结构和二级结构上都有很大不同。 其次，鸟类里现出了一种新型的基因序列结构。连接t r n a o “和n d 6 的序列是编 码轻链的，其位置紧接d l o o p 区。在哺乳动物中，c y t 6 和n d 5 基因间由t r n a “和 n d 6 间隔开，而家鸡m t d n a 中的c y t b 和n d 5 基因是连续的，它们之间仅被少数几个 核苷酸所分开。1 9 9 1 年，d e s j a r d i n s 和m o r a i s t t o l 对日本鹌鹁m t d n a 的部分t r n a 基因、 蛋白质基因以及小的r r n a 和部分大的r k n a 以及调控区进行克隆和测序研究，进一步 证实了鸡形目鸟类中这一新的基因序列。q u i n n 和w i l s o n t i t 克隆和测序了雪雁m t d n a 3 4 k b 大小的序列，也证实了这一新的基因序列也存在于雁鸭类。r a m i r e z 等 1 2 1 对北京 鸭m t d n a 的6 4 7 8 b p 大小的片段进行测序，结果表明：鸭和鸡具有相周的基因序列，调 1 0 鹗彤目两种鸟类载粗体基因组比较研究 控区的5 端连接t r n a _ 和n d 6 基因，并缺少在t r n a 和t r n a y 基因间的发夹结构。 此外，w c n i n k t l3 对两种鹬类调控区的研究，m a r s h a l l c l q 对雀形目雀科4 种鸟类调控区序 列研究表明，鸡类m t d n a 中这一新的基因序列在鸟类中是一个普遍现象。目前认为， 鸟类瓶的基因序列可能是来源于m t d n a 基因转座( t r a n s p o s i t i o n ) 携带了t r n a o “和 n d 6 基因，或者相反携带的是t r n a ”、t r n a ”和c y t b 基因。鸟类m t d n a 基因转座 的现象在高等脊椎动物谱系中是最先被发现的，鸟类是适应飞翔、代谢水平较高的恒温 动物，很可能这种新的基因重排在自然选择中被保留下来，成为这一类群的基因特征。 圈1a ：家鸡的线粒体基因组结构ib ：畸乳类和爪蟾的线粒体基困学结构 f i g 1 a ：t h em l t o c o n d r i a lg e n o m eo f c h i c k e n ； b ：t h em i t o c h o n d r t a lg e n o m eo f m a m m a la n dx e n o p u s 关于这些重排所包含的分子机制，我们目前还不清楚，但是，t f 小t a 基因的协同转 座，可能和这种重排是有关的。近年来，关于讯n a 基因在基因重排中的作用被频繁提 及。例如，在低等真核生物中，t r n a 基因可以为不同的转座子提供靶位点，在菌类和 植物的m t d n a 中也发现有这样的转座子，而在动物线粒体中还不确定。然而，从在低 等动物线粒体中观察到的这种t r n a 基因转座的高频率现象，可以推测出：在动物线粒 体中，转座因子曾经非常活跃，但后来被从基因组中排除出去了。在脊椎动物中，m t d n a 的d 1 0 0 p 区存在类似于t r n a 的结构( b r o w n ，1 9 8 5 ) ，这进一步表明：t r n a 偶尔也可以 作为d n a 合成的非正常引物，并在线粒体基因组复制的时候成为m t d n a 序列的一部 分。在一些蜥蝎类的m t d n a 中发现，大多数串联重复序列的区域都出现了t r n a 基因， 这表明这一结构可作为序列重复的标记。蜥蜴的重复片段长度从o 8 k b 一8 k b ，至少包括一 个蛋白质基因或r r n a 基因，且总是邻近或位于调控区中。在家鸡中，已发现在d 4 0 0 p 区上游有一段类似于蜥蜴中的重复序列。在人类m t d n a 中，也发现大多数t r n a 基因 位于r r n a 和蛋白质基因之间，t r n a 序列的二级结构可能作为加工酶的识别信号，在 鹗形目两种鸟类线粒体基因组兜较研究 原始转录产物加工的过程中起着“标点符号”的作用。以上这些都提示我们。t r n a 基 因在线粒体中常常发挥着特殊的“标记”作用。 而在随后的研究中又进步发现：鸟类中还存在两种不同的基因排列顺序( 图2 ) 。 1 9 9 8 年，m i n d e l l 等”“测序了1 2 个目、1 1 7 种鸟类m t d n a 部分片段( n d 5 到1 2 s r r n a ， 约5 k b ) ，发现在隼形目、鹃形目、鹈形目和雀形目亚呜禽类中存在一种新的基因顺序： 与家鸡序列相比，调控区( c r ) 转座到t r n a 和t r n a l ”之间，而且在t r n a “和 t r n a “之间产生了一个长度多变的假调控区( v c r ) 。此后在雀形目柳莺属6 中鸟类 ”和风头芄骂”“中也发现了这种序列。由于c r 区和1 | ，c r 区序列具有高度相似性，这 种新型排列可能是由链的滑动复制删除造成的：t r n 旷厂n d 6 t r n a g l u c r 区先进行 复制，然后两个拷贝各删除部分序列。因此，1 i r c r 区可以看成是调控区( c r ) 的退化 残迹。关于1 l ，c r 区可能是由于复制删除机制所致，游隼( f a l c 。) 和灰头阔嘴鸟 ( s m i t h o r n j ss h a r p e r ) 的c r 和掣c r 区的序列相似性郡证实了这一假说。但在普通 鬻中却并未发现明显的c r 和v c r 区序列相似性。关于在几个目鸟类中所发现的这种 新型的基因排列顺序，由于这些鸟类的种系关系差别较大，因此一般认为它们不可能 有共同的祖先。有作者”认为，这种可能由滑动复制删除造成的新型排列方式，在不 同物种间是有着多重的独立起源的。 b c 圈2 脊椎动物线粒体基因组n d 5 至1 2 s r r n a 基因片段 g ；哺乳动物和爪蟾捧列颅序b ：家鸡等大多数鸟类捧列腰序c ：部分鸟类新型捧列顺序 f i g 2 f r a g m e n tf r o mn d 5t o1 2 s r r n ag e n e si nt h em l t o c h e n d r l a lg e n o m eo fv c t e r b r a t e s 4 ：o r d e ri np l a c e n t a lm a m m a la n dx e n o p n s ；b ：i nc h i c k e na n dm o s ta v i a ns p e c i e ； c ：an o v e lo r d e ri ns o m ea v i a ns p e c i e s 1 2 2 线粒体d n a 的复制牵表达调控 1 2 2 1 线粒体d n a 的复制 动物线粒体d n a 的复制不受细胞周期的限制，复制与转录相关。首先从位于d 1 0 0 p 区的轻链转录起始点( l s p ) 转录出一段r n a ，由r n a 加工酶( p n a s em r p ) 将此r n a 在c s b 区内的某处切断，形成重( h ) 链复制的引物，由d n a 聚合酶y 完成h 链的复 制。h 链的复制遥常终止在d d o o p 区5 端的t a s 处，产生一段短的7 sd n a ，其代替 相应的重( h ) 链与轻( l ) 链配对，形成一个三链结构( 这也是d 1 0 0 p 名称的来历) 。 当h 链的复制叉移动到o l 时，l 链才开始复制。o h 和o l 一般相距5 0 0 0 b p 以上1 1 9 】。 鹗形目两种鸟类线粒体基因组 匕较研究 1 2 2 2 线粒体d n a 的的转录与转录后加工 线粒体d n a 的转录与原核细胞相似，两条链分别转录出多顺反子，再经过转录后 加工过程，生成各种成熟的r n a 脊椎动物的线粒体d n a 启动子都位于o 1 0 0 p 区内。酵母的线粒体启动子与脊椎动 物的不同，共鉴定出1 3 个，散布子整个线粒体基因组中，为一个保守的9 b p 序列 ( 5 - a t a t a a g t a 3 1 ) 。爪蟾和鸡的线粒体启动子可以进行双向转录，爪蟾中发现两个 双向启动子，而鸡中只有一个。爪蟾的每一个启动子均含有两个保守的8 b p 序列 ( a v p u t t a t a ) ，分别位于两条d n a 链上，相互有重叠，这种对称结构导致了启动子 的双向性口。鸡的双向启动子含有一个倒转重复序列，1 9 b p 中有1 6 b p 可配对折叠成一 个十字形结构，h 链和l 链的转录起始位点就位于十字形的环内在两个起始位点旁 侧也各有一个8 b 口序列( h 链：5 - a c a t t a t t - 3 ) ，与爪蟾启动子的8 b p 保守序列各有 6 b p 相同，相似的序列在小鼠h 链的启动子也有发现”“。小鼠、牛、人等哺乳动物含 有两个线粒体启动子，一般认为是非双向性的，分别负责两条链的转录，转录方向相反。 但是，在人类中发现比例较小的转录事件发生，且影响正方向转录的突变也影响反方向 转录，说明人类的线粒体启动子也具有一定的双向转录性质。从以上研究结果可以得出 这样的结论：双向转录启动子可能代表了从酵母的单个启动子向人类两个基本的非双向 启动子进化的中间阶段。 m t d n a 的转录需要核基因编码的r n a 聚合酶和转录因子的参与。人类的线粒体 r n a 聚合酶为非特异的r n a 聚合酶，转录因子h m t t f a 可结合到l i s p 和l s p 转录起 始点的上游元件上，是高水平特异转录的必要因素，h - m t t f a 与非特异的d n a 序列有 高亲和性，使d n a 解旋、弯曲、被包裹。核苷酸序列分析表明，h n a tt f a 与小的核 d n a 结合蛋白( 高迁移率族，h i g hm o b i l i t yg r o u p ，h m g ) 有较高的同源性。h m g 蛋白 包含了8 0 个氨基酸的串联重复序列，称h m g 盒。 酵母的线粒体r n a 聚合酶为核p r 0 4 1 基因编码的1 7 0 k d 的核心线粒体r n a 聚合 酶，氨基酸序列显示其与噬菌体t 7 ，p 3 和s p 6 的单亚基r n a 聚合酶有同源性：转录 因子s c m t t f b 是核m t f1 基因编码的4 0 k d 蛋白，与细菌的。因子有一定的相似性。 爪蟾的线粒体转录体系也含有r n a 聚合酶和两个转录因子x l - m t t f a 、x 1 m t t f b 。爪 蟾的线粒体r n a 聚合酶大小有1 4 0 k d 左右，与酵母核心r n a 聚合酶相似，推测它也 与噬菌体r n a 聚合酶相关。x 1 m t t f a 与h - m t t f a 同源，含有h m g 盒，与线粒体d n a 启动子转录起始位点上游序列结合，刺激转录的起始也有包裹和组装线粒体d n a 的 作用f 2 2 1 。 从对酵母和爪蟾的转录系统分析，m t t f b 可能是转录起始的必需因子，而m t t f a 则作为高水平转录的激活因子。但到目前为止，还没有从人的线粒体中分离出的m t t f b 的同源物。假设的h m t t f b 也许包含在人类线粒体r n a 聚合酶中，因为人类的线粒体 r n a 聚合酶还未纯化到单基因成分：另一种可能是在进化过程中，h - m t t f a 适合人类 线粒体启动子新的组织方式，同时具有了m t t f a 和m t t f b 两种因子的功能。具体情况 还有待于进一步研究证明。 另外在转录过程中，t r n a 基因是线粒体初级转录本加工的“标点”信号。f l t n a 鹎形目两种鸟类线粒体基因组比较研究 的加工主要包括两步：( 1 ) 核酸内切酶识别t r n a 前体，切去两端序列；( 2 5 在5 和3 ， 核酸内切酶( 线粒体r n a s e p ) 和前体t r n a 3 核酸内切酶一分别作用于t r n a 前体的 特异位点产生的。从初级转录物上切除t r n a 是动物线粒体r n a 加工的主要步骤，但 有些线粒体r n a 两端却没有t r n a ，如c o i i i 和c y 仂的m r n a 的5 端，a t p a s e 6 的 m r n a 的3 端等，它们两端的形成不能用t r n a 的加工来进行解释，这还需要更深入 的研究。 1 2 ，2 3 线粒体d n 鳙码蛋白基霹的翻译 线粒体蛋白质基因翻译起始的机制还不很清楚，目前只有一个线粒体翻译起始因子 已被鉴定，它相当于原核生物的起始因子2 ( i f 2 ) ，为一单体蛋白，属于g t p 家族， 可在有活性的线粒体i f 2 , g d p 与无活性的i f 。2 , g d p 之间相互转换，在g d p 和m r n a 存在的条件下，促使起始体t r n a 与2 8 s 核糖体小亚基结合。牛的线粒体伍一2 因子己 被纯化，人和酵母的基因已被克隆测序，推测的氨基酸序列除n 端以外，与细菌i f 2 有极高的同源性p ”。 1 2 2 4 线粒体基因表这产物的功能与定位 一般的看法认为，线粒体基因表达产物都定位于线粒体内，线粒体r r n a 和t r n a 位于线粒体基质中，与核基因编码的蛋白质相互独立存在，或与核基因编码的蛋白质形 成复合体，镶嵌在线粒体的内外膜和蟥上，行使生物氧化的功能。除了产生a t p 这一 主要作用外，线粒体还参与血红素、脂类、氨基酸、嘧啶等的形成及无机离子的代谢调 控。 1 2 3 线粒体基因组与核基因组的关系 线粒体是一个半自主的细胞器，线粒体d n a 的复制、转录和翻译过程离不开核基 因组的指导与调控。同时，线粒体也以不同方式影响核基因的表达。 1 2 3 1 核基因组对于线粗体基因表迭的调控 线粒体是一个半自主的细胞器，线粒体d n a 的复制、转录和翻译过程离不开核基 因组的指导与调控。核基因组对线粒体基因组表达的调控反映在以下三个水平上： ( 1 ) 转录调控：核基因组对线粒体基因的表达调控主要是对其转录起始的调节。 在人类细胞线粒体基因转录调控中需要5 上游包含转录起始位点的一段调控区，以及 由核基因编码的，位于起始位点上游与包含转录起始位点的调控区相互作用的转录调控 因子( h - m t t f a ) 。 ( 2 ) r n a 加工：线粒体转录单位都是多基因的，初始转录物要经过t r n a ，m r n a 的5 和3 加工( 除动物外的真核生物还经过内含子的切除) ，这些加工过程都需要核基 因编码的蛋白质 2 5 1 。例如线粒体编码c y t b 基因，其起始转录物的5 端加工需核编码 的c b p 岫因子参与，加工后产物的稳定性也依赖于c n l p 的保护p i 。 ( 3 ) 编码调控：根据酵母的线粒俸的翻译调控研究，c oj 、c oj i 、c o i i i 、c y t 6 等基因的翻译都需要核编码的翻译激活蛋白，推测翻译的正确起始必需核基因编码的翻 译激活蛋白口”。这些蛋白或是和m r n a 的5 u t r s 的特异区域相互作用( m r n a 专一 性结合蛋臼) ；或是和核糖体小亚基的蛋白质相互作用。它们分布在基质或膜上，共同 介导m r n a 、核糖体小亚基和线粒体内膜之间的相互作用，指导内膜上m r _ n a 翻译的 1 4 鹗形目两种鸟类线粒体基因组比较研究 正确起始。 1 2 3 2 线粒体基因组对于核基因的反馈调节 动物线粒体基因组以不同的形式对核基因的表达起反馈调节作用。受线粒体反馈调 节的核基因大致可分为两类：( 1 ) 只受线粒体呼吸表型的调节，与线粒体基因组无关， 这类核基因在线粒体呼吸功能缺陷时表达量提高；( 2 ) 基因的表达与线粒体基因组的结 构和拷贝数有关。近年来的研究发现很多动物核基因组含有类似线粒体d n a 的片段， 这些线粒体d n a 片段是通过某些方式整合到核基因组中的，整合的片段长度不等，主 要包括编码蛋白质的基因和r r n a 基因，而且常以多拷贝形式存在。 1 2 4 线粒体基因组的遗传特性 通常认为，动物线粒体基因符合线粒体基因组遗传的三个特性：( 1 ) 呈母性遗传； ( 2 ) 序列差别在物种内甚至同一群体中个体间存在；( 3 ) 同一个体组织中线粒体基因 的等同性。 虽然有关线粒体基因组母性遗传特性已被普遍承认，但无论在一些动物还是植物线 粒体基因组中都发现了重组和少量父系基因的传递存在。例如在贝类的贻贝中雌性和雄 性具有不同的线粒体基因组，其中雌性只含有f 型线粒体d n a ，雄性则含有f 和m 型 线粒体d n a ，但是在精细胞中只发现了m 型线粒体基因组。针对贻贝m t d n a 的遗传， z o u r o s 等【2 s l 认为在性别分化之前，它是双亲遗传( b i p a r e n t a li n h e r i t a n c e ) 。s k i b m s k i 等 口9 则认为贻贝m t d n a 虽然从双亲而来，但是每个个体m t d n a 是通过父本或母本单亲 遗传而来( t m i p a r e n t a li n h e r i t a n c e ) ，同时，z o u r o s 等( 1 9 9 4 ) 则又认为贻贝m t d n a 是单 亲遗传的。 个体间线粒体基因组异质性在果蝇中也较为常见，它是由于调控区的部分重复造成 的。还有调查表明，不同人的m t d n a 的h 链复制起点和d 1 0 0 p 区碱基差异高达l _ 7 。 线粒体基因组异质性所产生d n a 长度多态性主要有三种类型：同聚物核苷酸数目的差 异：串联重复序列拷贝数的不同：分子结构中部分区域的重复和缺失。 另外，根据优势玉米杂交种比其亲本自交系具有较高的线粒体生化活性，有人提出 过线粒体的互补假说，两亲本自交系线粒体混合物的活性超过任何一个亲本而接近杂种 线粒体活性的现象。应用线粒体互补方法来探讨杂种优势的生化代谢特点，可以探讨一 些核外遗传系统的真谛。 1 2 5 线粒体的起源 线粒体起源与细胞起源及生物进化有密切关系。在近3 0 多年来围绕线粒体的起源 问题开展的辩论是建立在细胞生物学与分子生物学实验基础上一次相当有益的争论。关 于线粒体的起源，现在主要存在着两种截然不同的观点：即内共生起源学说与非共生起 源学说。目前内菇生起源学说占有明显优势。这是1 9 7 0 年l m a r g u l i s p 在分析了大量 资料的基础上提出的一种设想：细菌提供线粒体的起源，蓝绿藻提供叶绿体的起源。原 线粒体细菌能够进行糖酵解并利用氧气，将糖酵解的产物丙酮酸进一步分解获得更多能 量。最初的宿主细胞应该是一些厌氧组织，能量来源于细胞质基质体的糖酵解。当原线 粒体纲菌通过内噬作用进入真核细胞的祖先细胞后，该细胞利用原线粒体充分利用能 量，而原线粒体也更多的依赖宿主细胞获得更多的原料，这种细胞间互利的共生现象在 鹗形目两种鸟类线粒体基因组比较研究 自然界中是存在的。 内共生学说是根据线粒体、叶绿体和原核细胞的诸多相似性来形成的，诸如m t d n a 的环状结构与原核生物染色体常见形态一样，线粒体具有定的自主性，同时依赖于核 基因组合成自身绝大部分组分。事实上，呼吸链的定位在生物中有一致性，如在细菌中 位于基质体膜上，a t p 酶伸入基质体内。一些细菌具有膜状突出物被称为中膜体，这与 线粒体腔有相似之处。线粒体内膜和基质体具有单独的呼吸链可能表现了细胞膜内的共 生现象。从某些角度来说，内共生学说更多的是从精华的角度来看待问题，而不是详细 有据地进行解释。 1 2 6 线粒体基因组的分子系统学研究 由于线粒体d n a 独特的结构、遗传和进化特点，有关线粒体d n a 的进化及其在 分子系统学研究方面已积累了大量资料。 1 2 6 1 线粒体d n 的进化特点 由于m t d n a 具有的结构及生理特点，因此具有较为独特的进化特征：( 1 ) 紧密排 列的线粒体基因降低了基因重排的发生频率。任何成功的基因转位都必须准确地从基因 两端的分界处断裂，由于无间隔序列，因而m t d n a 中基因重排很少发生；( 2 ) 错误复 制和不完善的修复加剧了突变速率。在哺乳动物中m t d n a 是由y 一聚合酶复制的，这 种酶缺乏对