线粒体基因组:结构特点和基因含量进化

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线粒体基因组:结构特点和基因含量进化
陈念;赖小平
【摘要】线粒体具有其自身的遗传系统--一个来自内共生的α-变形细菌祖先的基因组.线粒体基因组的生物学功能非常保守,仅涉及与线粒体有关的5个方面的过程:呼吸和氧化磷酸化、翻译、转录、RNA成熟和蛋白运输.真核生物线粒体基因含量的变化异常显著,在包括被子植物在内的各种真核生物相对频繁地发生线粒体基因丢失的同时,动物和某些植物类群的线粒体基因含量相对来说则比较稳定.tRNA基因含量的变化反映了线粒体对来自核的tRNA在使用上的差异,而蛋白基因含量的变化主要是由于功能性的基因转移到核所造成的.对线粒体基因组学领域中有关基因组起源、结构和基因含量进化方面的研究进行综述.%Mitochondria have their own genetic system-a genome originating from an endosymbiotic α-proteobacterial ancestor. The genetic function of mt-genome is well-conserved, being involved in a maximum of five mitochondrial processes : respiration and oxidative phosphorylation, translation, transcription, RNA maturation and protein import. Mitochondrial gene content is highly variable across extant eukaryotes. All animals , some plants, and certain other groups of eukaryotes are relatively static in mitochondrial gene content ,whereas other lineages have experienced relatively frequent gene loss. Diversity in tRNA gene content primarily reflects differential usage of imported tRNAs from nuclear, but for the protein-coding genes, this diversity reflects differential degrees of functional gene transfer to the nucleus. This article reviews the advances in the field of mitogenomics, especially for the origin, organization and content of mt-genome.
【期刊名称】《生物学杂志》
【年(卷),期】2011(028)001
【总页数】5页(P70-73,17)
【关键词】线粒体;线粒体DNA;起源;进化;结构
【作者】陈念;赖小平
【作者单位】广州中医药大学中药学院,广州,510006;广州中医药大学中药学院,广州,510006
【正文语种】中文
【中图分类】Q244;Q754
线粒体是多数真核细胞均具有的一种双膜细胞器,除了产ATP而在能量传递中处
于中心地位外,其还参与离子动态平衡(Ion homeostasis)、中间代谢途径和凋亡
等许多重要的生理过程。

99%以上的线粒体蛋白由核基因编码,其在细胞质内合
成后再运送进线粒体。

即使对于某些“无线粒体的”真核细胞(Amitochondriate),却仍然含有氢化酶体(Hydrogenosomes,可在厌氧条件下产生ATP和氢的双膜
细胞器)等衍生的线粒体结构[1]。

随着大量的线粒体及细菌全基因组测序的完成,毫无疑问证实了线粒体及其基因组的内共生起源假说,即线粒体来自一个自由生活的α-变形细菌(α-proteobacteria),其在随后的进化过程中丢失了大量的基因,
其中几百个对于线粒体功能必须的基因转移到了核,另一部分则为功能相似的核基因所取代,小部分仍留在线粒体中[2](图1)。

1 线粒体基因组结构特点
1.1 形状和大小
多数真核生物线粒体基因组(mtDNA)均为单个环状的超螺旋,但也存在线性的串联体或单体,如水螅纲的褐水螅(Hydra fusca)和普通水螅(Hydra attenuata)、钵水母纲的仙女水母属(Cassiopea sp.)和立方水母纲的箱形水母(Carybdea marsupialis),其mtDNA为1个16 kb或2个8 kb线性分子,其它的如纤毛虫(Tetrahymena pyriformis)、疟原虫(Plasmodium falciparum)、衣藻(Chlamydomonas),以及一部分真菌和刺胞动物(Cnidarian)等,这些线性分子的两端常携带有不同长度的端粒样末端重复序列。

除了以上由单个“染色体”构成的情况外,还发现由多个环状分子,如斑点小壶菌(Spizellomyecs punctatus)[3]、黄金线虫(Globodera)和二胚虫(Dicyema),以及几百个不同类型的线性分子所组成的线粒体基因组——寄生变形毛菌(Amoebidium parasiticum)[4]。

另外,在锥虫(Trypanosoma)的线粒体中,还发现了含几十个编码基因的大环和几千个负责指定与线粒体mRNA编辑有关的引导RNA的小环[5]。

在许多真菌、植物和原生生物中,自主复制的线粒体质体可引起mtDNA形态的变化,真菌线粒体质体主要为具反向末端重复的单体线性分子,它们可插入mtDNA并引起其构象从环形转变为单体线型,该构象转换现象在酵母、金藻和壶菌纲(Chytridiomycete)[6]中均有发现。

图1 早期原线粒体基因迁移的主要途径Fig 1 Main migration routes of early proto-mitochondrial genes
多数真核生物mtDNA的大小为15~60 kb,极端情况如疟原虫(6 kb)和水稻(490 kb),葫芦类植物甚至超过了2000 kb。

线粒体基因组大小变化主要与重复序列、富含AT的基因间隔区、可移动元件和内含子有关: (1) 基因间隔区含大量的随机重复和茎环基序,其中一部分可移动的重复元件在重组中发挥作用;(2)存在不同长度(0.15~4 kb)和数目(0~30个)的I组和II组内含子,如鹅掌柄孢壳
(Podospora anserine)mtDNA全长的3/4均为内含子序列。

即使同属物种间基因间区的长度也可能存在显著变化,如裂殖酵母mtDNA大小的变异(17~80 kbp)主要与含大量重复的基因间区有关,而植物mtDNA大小的扩张则主要是由于获得了叶绿体、核和病毒等外源DNA所致。

同样的道理,mtDNA尺寸减小也主要与基因转移到核、内含子丢失、基因间隔区消失和相邻基因的编码区重叠等因素有关。

1.2 特殊结构
除内含子外,mtDNA还具有一些较特殊的结构特征:(1)基因融合。

卡氏棘阿米巴(Acanthamoeba castellanii)和盘基网柄菌(Dictyostelium discoideum)中编码细胞色素氧化酶亚基Ⅰ和Ⅱ的基因(cox1和cox2)紧密相连并形成了单个连续的开放阅读框(ORF),而在另一个尚未分配的ORF中则发现了含若干个已知的与植物胞质雄性不育有关的嵌合式基因片段[7]。

(2)断裂基因。

纤毛虫和莱茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)的rRNA基因分裂为8个以上的片段杂乱分布于整个线粒体基因组中;纤毛虫和双小核草履虫(Paramecium aurelia)的nad1基因也分裂为两个片段;另外,绿藻(Scenedesmus obliquus)COX2的N端和C端分别由线粒体和核基因编码,而衣藻属(Chlamydomonas)和衣滴虫属(Polytomella)中对应的cox2基因则均位于核基因组中;与此同时,有花植物的rp12基因也分别由线粒体和核编码[8]。

(3)简化的基因。

某些动物家系中具有缺少一个或多个螺旋形臂的截短的tRNA[9];多数动物和某些原生生物的线粒体rRNA 具有流线型的结构特点;真菌还含有RNase P RNA[10]。

2 线粒体基因组基因含量变化
线粒体基因含量与基因组大小间的相关性并不明显,真核生物mtDNA平均编码能力为40~50个基因,其中疟原虫仅编码5个,而Jakobid鞭毛虫则接近100个。

2.1 rRNA基因
线粒体基因按用途可分为rRNA、tRNA和蛋白编码基因,其中编码小亚基(SSU)和大亚基(LSU)的rRNA基因存在于所有已发现的线粒体基因组中。

与真细菌和叶绿体中对应的同源基因进行比较,线粒体rRNA基因在大小上变化明显,且发生了不同程度的断裂(有时甚至出现尺寸减小和退化),断裂形成的片段散布于整个线粒体基因组中独立转录,并在RNA水平通过次级配对作用组装成功能性的rRNA 分子。

对发生断裂和退化尤为严重的疟原虫和莱茵衣藻的核基因组进行分析发现,小的rRNA片段在完全从线粒体基因组中丢失之前就功能性地转移到核中是完全可能的。

与SSU-和LSU-rRNA基因不同,5S rRNA基因已从大多数物种的mtDNA中消失,仅存于Reclinomonas属、陆生植物,以及一部分绿藻、红藻和褐藻中[11]。

2.2 tRNA基因
真核生物线粒体在通常情况下维持自身正常运转需要22~27个tRNA,而顶覆虫(Apicomplexans)和布氏锥虫(Trypanosoma brucei)中仅发现1个tRNA基因,丢失如此多tRNA基因的原因可能是它们在功能上被核或胞质来源的tRNA所取代,后者执行双重功能以同时满足胞质和线粒体蛋白合成的需要。

被子植物线粒体翻译体系具广泛的适应性,可使用线粒体、叶绿体、核或胞质来源的tRNA,其中部分丢失的tRNA基因已被叶绿体来源的同种tRNA基因所取代[12]。

2.3 蛋白基因
主要的真核生物线粒体蛋白可分为两类:(1)与呼吸作用有关的构成为4个电子传递链复合物的24个亚基,以及耦联因子和ATP合成酶,在mtDNA中最普遍存在的5个呼吸基因分别为cytb、cox1和nad1/4/5,前两者存在于所有已发现的线粒体基因组中;(2)与蛋白合成有关的27个核糖体蛋白(12个小亚基和15个大亚基),其编码基因的丢失比呼吸基因要频繁得多,动物、真菌、顶复动物和衣藻
科(Chlamydomonad)4种主要真核家系的mtDNA几乎独立丢失了所有的核糖体蛋白基因,但却极少出现丢失呼吸链亚基编码基因的情况。

当然,即使是同一类型基因丢失的频率也可能存在显著差异。

真核生物mtDNA蛋白基因含量也存在显著变化,包括疟原虫在内的顶复动物亚
门成员仅含3个蛋白基因,而迄今为止线粒体基因含量最大(达97个)的淡水原生
生物Reclinomonas americana则含有67个蛋白基因,且包括了目前已发现的
所有线粒体编码的蛋白基因。

另外,在粘液菌(slime molds)中,棘阿米巴属(Acanthamoeba)和盘基网柄菌属(Dictyostelium)mtDNA中核糖体蛋白基因和呼吸基因的数目分别为16和18个,而绒泡菌属(Physarum)中分别仅含1个和11个。

在许多家系均各自经历了大量的核糖体基因和呼吸基因丢失事件的同时,动物、真菌、顶复动物、纤毛虫和异形鞭毛动物(Stramenopiles)等主要的门或界内则极
少发现基因含量上的差异,尤其是真菌和动物线粒体编码的蛋白基因含量的一致性非常显著:(1) 在全测序的约20种真菌mtDNA中,来自祖先真菌的15个蛋白基因中仅有两个发生丢失——真子囊菌纲(Euascomycetes)中的atp9和真菌家系中的rps3;(2)绝大多数动物线粒体基因组均含同样的13个与呼吸有关的基因,仅
在线虫和软体动物中发现atp8丢失。

陆生植物线粒体基因含量的变化相对来说比较稳定,以唯一线粒体基因组全测序的隐花植物地钱(Marchantia polymorpha)为例,仅核糖体蛋白rpl6和rps8的编
码基因未曾在任何被子植物中发现过[13],但与动物相比,该稳定性则要广泛和激烈得多,如在已全测序的显花植物拟南芥、甜菜、水稻和玉米中,均发现了不同程度蛋白基因的丢失。

被子植物线粒体基因含量的变化异常惊人,一项对280种被
子植物线粒体蛋白基因含量的研究显示,所有的14种核糖体蛋白和24种呼吸相
关蛋白编码基因中的两个均存在高频率的丢失。

另外,在葱属(Allium)、谷精草属(Lachnocaulon)和牻牛儿苗属(Erodium)等有花植物已丢失了几乎所有16种核糖
体蛋白和琥珀酸脱氢酶(sdh)基因的同时,另外一些有花植物(特别是位于基部的大多数被子植物类群)的40个已知的被子植物祖先线粒体蛋白基因则全部未发生丢失[14],显然,此类植物正在显著地“趋同”减小线粒体基因的含量。

图2 后生动物线粒体基因组tRNA和蛋白基因数目分布Fig 2 Pairwise distribution of the numbers of tRNA and protein-coding genes in the metazoa mt-genomes
A、B、C、D分别对应西部捕食螨、异背蜥虎、箭虫和非洲疟蚊4种极端的情况(x 轴上的点为部分线粒体基因组)
2.4 tRNA和蛋白基因数目的关系
线粒体编码的tRNA和蛋白基因数目间的关系存在两种情况:(1)合成较少蛋白的线粒体所需的线粒体tRNA也较少,其对tRNA的需求主要由细胞质提供,如顶复动物亚门仅含3个蛋白基因而不含tRNA基因,衣藻科则有7个蛋白基因和3个tRNA基因;(2)考虑到蛋白基因功能性地转移到核及胞质tRNA的输入,两者在数目上出现不相关的情况也并不奇怪,例如:裂殖和融合酵母tRNA基因的数目在真菌正常的范围(24~25个),但仅含7个蛋白基因,小壶菌属(Spizellomyces)和透明针形藻属(Hyaloraphidium)蛋白基因的数目也在真菌正常的范围内(13~14个),但却只有7~8个tRNA基因[15];动物线粒体基因组大都含有13个蛋白基因和22个tRNA基因,而刺胞动物除了13个蛋白基因外仅编码1~2个tRNA。

截至2008年9月,对GenBank中1302种后生动物线粒体基因组中tRNA和蛋白基因数目分布情况统计的结果如图2所示。

2.5 不含基因组的线粒体
多数真核生物mtDNA编码的蛋白均与呼吸作用有关,因此对于无需呼吸作用的真核生物来说,线粒体基因丢失事件的发生也在情理之中。

缺乏线粒体被认为是一种祖先特征,因为许多此类生物都位于真核生物rRNA系统树的“基部”,该独
立地“趋同”丢失所有线粒体基因——甚至整个线粒体基因组的现象,反映了进
化过程中无氧寄生生活方式的出现。

研究发现,在毛滴虫(Trichomonads)、变形
鞭毛虫(Amoeboflagellates)、纤毛虫和壶菌(Chytrid)等许多无氧呼吸的真核生物中,均存在高度衍生的线粒体结构——氢化酶体[16];厌氧变形虫溶组织内阿米
巴(Entamoeba histolytica)中也发现存在类似的结构,被称为“mitosome”或“crypton”;另外,专性胞内寄生真菌微孢子虫(Microsporidia)同样含有一个残存的功能不确定的线粒体[17]。

3 线粒体基因含量变化的原因
3.1 水平转移
有关细胞器基因组基因转移已进行了大量的研究,但却少有关于遗传物质进入mtDNA或mtDNA间基因转移的报道。

核和叶绿体来源的DNA序列转移至mtDNA的情况在被子植物中非常普遍,而在其它类群的植物中则并不明显。

分析发现,mtDNA和非mtDNA来源的可移动元件(I组和II组内含子)非常相似,且
远缘物种的同源线粒体基因间也存在高度相似的内含子,这说明的确存在mtDNA 间的转移。

最近,有关单、双子叶植物线粒体基因水平转移的事件也时有报道[18]。

3.2 基因丢失
细胞可“忍受”线粒体基因丢失的可能原因有3种:(1)线粒体基因的功能不再是
必需的。

如原线粒体(protomitochondrion)的许多功能(如代谢、细胞壁合成)对
于细菌来说可能是必需的,而当其作为内共生体时,相关的基因则可能发生丢失;同样对于具呼吸作用的真核生物来说,线粒体基因丢失的情况则比较罕见;而酵母和顶复动物则常发生呼吸链复合物I及NADH脱氢酶编码基因丢失的情况,后者
作为寄生虫仅含有非常基本和退化的呼吸系统[19]。

(2)线粒体基因被已经存在的
具同样功能的其它来源的基因所取代而完全从细胞中消失。

如酵母线粒体中的核糖体蛋白、氨基酰tRNA合成酶和TCA循环的组件都是核起源的,这些核基因拷贝
由于获得了一个线粒体靶向序列而取代了原始的线粒体基因;在植物中,一些核编码的线粒体蛋白基因则来自叶绿体,如被子植物中的rps13[20]。

(3)线粒体基因
功能性地转移到核。

这是植物mtDNA中的核糖体蛋白基因发生丢失的主要途径,同时也是在核和叶绿体均缺乏功能上的对应物时线粒体基因丢失的唯一途径。

4 研究展望
除了在中老年人的脑和心肌细胞中常发现的各种点突变和缺失外[21],作为mtDNA突变重要表现形式之一的拷贝数的变化,则时常为研究者所忽略。

线粒体基因组具有多拷贝的特征,单个真核细胞的mtDNA拷贝数从十到几千个不等,
考虑到mtDNA突变可能是逐渐积累的,而非立刻产生有害的影响,因此这可能
正是造成mtDNA进化速率大于核DNA的原因之一[22]。

与此同时,由于受到的选择作用较为缓和,寄生家系的mtDNA可能会较容易出现新的基因组结构特征,如线粒体基因含量最小的专性寄生生物疟原虫和存在极端mRNA编辑情况的锥虫,但这种相关性并非普遍存在,如魏氏原壁菌(Prototheca wickerhamii),一种不进行光合作用的绿藻却具有原始的线粒体基因组;相反,一些具光合作用的自由生活的近源物种则可能具有高度衍生的结构特征[23]。

另外,高度衍生的结构还趋向于出现在高生长速率且世代时间较短的生物中,如纤细裸藻(Euglena gracilis)、酵
母和寄生变形毛菌等。

截至2008年11月,GenBank数据库中mtDNA全测序物种个体的数目已达1498种。

毫无疑问,在未来相当长的一段时间内,线粒体基因组学研究的重点仍将集中于较少关注的分类单元基因组结构特征的阐明及其进化规律的解释上。

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