人类线粒体DNA复制机制 2014

1、人类线粒体DNA复制机制杨金才 201100300306线粒体DNA(mtDNA)复制机制的研究还处在初始阶段。多年来，人们认为相对于核 DNA来说，mtDNA复制是一个很简单的过程，哺乳动物的线粒体内没有修复系统(实际 上有修复系统)，mtDNA也没有重组(人类中未发现，植物的mtDNA有重组)，仅有1 种DNA聚合酶，polymerase y。Polgy通过一种叫做D环复制的方式复制mtDNA，即 “先导”链先复制2/3，“后随”链才开始复制，也叫链替换模型(strand-displacement model)0后随链与RNA结合以保护单链。随着研究的深入，在哺乳动物中还存在着链结 合单向

2、复制和链结合双向复制2种模型。这说明mtDNA的复制机制相当复杂，这与线粒 体内的“恶劣”环境有着密切的联系。1、人类线粒体DNA线粒体有自己的基因组(mtDNA)，双链环状DNA，两条链分别称为重链和轻链。所谓 的重链、轻链是由链中G含量决定的，重链中G含量较高。两条链分别编码不同的基因，两条链上都有各自的复制起始点和转录启动子，双链结构 中有一个特殊区域称为D-loop结构，不编码基因，是复制起始点和转录启动子所在。mtDNA编码的基因大部分都没有内含子，整个基因组中的非编码部分为转录和复制控 制区域。mtDNA不能编码供应线粒体生物功能的所有基因，主要通过自身转录合成呼吸链 复合物中的几

3、个蛋白及rRNA、tRNA，而呼吸链复合物中的其他蛋白和DNA聚合酶，RNA 聚合酶及转录辅助因子都是由核基因编码，在细胞质中翻译后转运到线粒体中发挥作用的。关于线粒体基因组的数目，每个线粒体有多个基因组拷贝，线粒体基因组的数目因物种 和组织种类而异，而一项关于小鼠着床前期胚胎中线粒体基因组DNA数目的研究表明，在 体外培养的的受精卵从单细胞的胚胎发育到胚泡期的过程中细胞中的总mtDNA量是保持 不变的。线粒体DNA在核基因编码的DNA聚合酶的作用下以D环方式进行复制，这种DNA 聚合酶是线粒体特异的。线粒体的复制期主要在细胞周期的S期和G2期，与细胞周期同步。 线粒体使用核基因的通用密码，但

4、也有较多的稀有密码子。线粒体的蛋白合成基本上属于原核生物类型，具有原核生物蛋白合成的特点。如，RNA 的转录和翻译是在同一时间和地点进行、蛋白质合成的起始tRNA与原核生物的相同、蛋 白质合成对药物的敏感性与细菌一样。人类的mtDNA约16, 600bp，如图1所示，编码呼 吸链中约90个功能蛋白的13个，这13个蛋白在氧化磷酸化合成ATP过程中都起着关键性 的作用，另外还编码2个核糖体RNA，及22个转运RNA，线粒体中的密码子编码不同于 细胞核基因。 Direction of transcriptionDirection of leading strand DMA synlh&sis|r

5、Direction of lagging strand DMA synlh&sisProteinRibosomal RNANoncoding region Transfer RNAHeplacation initiation zone图1.人类线粒体基因组线粒体DNA编码13个呼吸链功能蛋白，2个核糖体RNA。非编码区是链替换模型的的起始区，OH，。此和q是复制起始位点。而链结合模型几乎可以在线粒体DNA的任意位置发生，邻近非编 码区的几千kb（Ori-z，红色区域）是其主要起始区。2、人类线粒体DNA的复制2.1线粒体DNA复制同细胞核DNA复制一样,mtDNA复制也是以半保留方式进行的.但

6、是,mtDNA复制 具有其自身特点：a）mtDNA复制在不同生物类群中存在多种复制方式普遍以D环复制为主，少数也有6型复 制以及滚环复制，如图2;b)m tDNA复制过程中涉及到的相关酶和调控因子都是由核基因编码,受到自身基因组与核基因组的双重调控;并削JS舍或福一的I魅1图2.线粒体DNA复制方式。依次为。型复制、滚环复制和D环复制。以D环复制为主。人类mtDNA复制模型目前，有关mtDNA复制的研究多以酵母和哺乳类(或其它脊椎动物为研究对象.人类作 为哺乳动物，其复制方式与其他哺乳动物是相似的。主要有3种模型，经典的是D环复制， 另外两种是链结合模型(strand-coupled mode

7、l)，和 RITOLS(RNA intermediates laid on the mtDNA lagging-strand)模型。2.1 D环复制模型如图2所示，人类mtDNA的D环复制过程大致可以分为以下4个阶段：H链的首先合成:在H链复制起始点以L链为模板，首先合成一从轻链启动子(LSP)转录而 来的RNA引物,然后由DNA聚合酶y催化合成一个500600bp长的H链片段，该片段与L 链以氢键结合，将亲代的H链置换出来，产生一种D环复制中间物.H链片段的延伸:在各种酶复制相关酶和因子的作用下，复制叉沿着H链合成的方向移动， 新生成的短的H链片段继续合成.(3)L链合成的开始:随着原来的H

8、链被取代，D环越来越大，当D环膨胀到环形mtDNA约 2/3位置时，即暴露出L链复制的起始位点，单链DNA吸引mtDNA引物酶合成第2个引物, 并以原来的H链为模板开始L链DNA的复制.(4 )复制的完成:H链合成首先完成,L链的合成随后结束,RNA引物的去除,完整的DNA环的 连接，最后以环状双螺旋方式释放.mtDNA的D环复制最大的特征是2条链的合成是连续的，后随链的合成无需经历不连 续的岗崎片段的合成与连接过程.另外，在酵母mtDNA的复制方式与哺乳动物基本类似,主要区别在于哺乳类mtDNA 复制是单向起始的,而酵母为双向起始复制。此外,Locker等，在酿酒酵母线粒体NDA复制 中观察

9、到长的线性DNA链，推测其复制过程涉及到滚环复制模式。2.2 RITOLS 模型在初始的模型中，后随链被认为是由蛋白结合保护的，有研究表明，它可能由RNA结 合，而后转为DNA。该模型称为RITOLS，如图3,其余过程与D环复制类似。图3后随链有RNA结合的mtDNA复制模型(RITOLS模型)2.3链结合模型近年来，Yan g等和Holt等提出一种新的人类mtDNA复制的模型,即链结合模型 (strand-coupled model).与经典的链替换模型相比较，这种改进的模型主要有以下特征：2条 链同时进行复制,且复制可以起始于多个位点，可能还涉及到不连续的岗崎片段的合 成;mtDNA合成过

10、程需要有大量的核糖核苷酸的参与;实验检测到的复制中间体大多数都为 双链，对D环的存在提出了质疑。Bowmaker等，用二维琼脂糖凝胶电泳法对mtDNA复制中间体的研究结果证实,mtDNA复制起始于多个位点，这一双向复制的起始区域包括Cyt b、ND5以及ND6基因. 见图1，O成。他们的试验结果显示，哺乳动物线粒体复制中,除了有经典的D环复制模型以外，还存在链合 模型，且链结合模型的mtDNA复制又可以区分为2种不同的起始方式，区别在于一种是单 向起始复制(strand-coupled unidirectional replication),另一种则具有双向起始的特征 (strand-coup

11、led bidirectional replication).前者特点为，OH既为复制起始位点，又是复制的 终止位点,且复制起始是朝一个方向进行的;而后者特点为，复制起始位点位于OH下游,且不局 限于非编码区，复制起始是双向进行的(e型).但是，一旦其中一个复制叉到达oh时，复制又仅 表现为一个方向进行.Bowmaker认为，在哺乳动物线粒体中,同时存在这样3种复制模式， 如图4,支持链结合模型双向起始复制是哺乳动物mtDNA复制的主要模式.图4.人类线粒体DNA复制模型D 环复制(即链替换模型，strand-displacement model)链结合单向复制(strand-coupled

12、unidirectional replication)链结合双向复制(strand-coupled bidirectional replication)讨论与展望图 5. Maturation of RITOLS RNA前文我们提到的复制模型到底是人类mtDNA的独立复制模型，或者只是真实的复制 模型的不同阶段？对后者提出猜想，即链结合模型中的双向复制叉是起源于RITOLS模型(见图3)中后随链的RNA向DNA转变，见图5。当然，对此还是存在争议的。另外，对于mtDNA复制是单向的还是双向的也存在争议。对于D环模型中的D环无法仅由线粒体单链结合蛋白(mtSSB)结合，研究证明有RNA结合，RN

13、A的来源尚未清楚。对于线粒体的研究还有很多空白之处，随着新的参与复制成分的发现和新的技术方法的 出现，我们对于人类mtDNA的复制将会有深入的，更具体的了解。【参考文献】Taylor R W, Chinnery P F, Turnbull D M, et al. Selective inhibition of mutant human mitochondrial DNA replication in vitro by peptide nucleic acidsJ. Nature genetics, 1997, 15(2): 212-215.肖莉莉，黄原.线粒体DNA复制及其调控J.中国生物化学与分子生物学报,2006, 22(6): 435-441.3- Taanman J W. The mitochondrial genome: structure, transcription, translation and replicationJ.Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Bioenergetics, 1999, 1410(2): 103-123.Lecrenier N, Foury F. N