mtDNA多态性研究

4.突变容易固定 4.突变容易固定 这主要是选择压力小的原因，通常情况 下，人工选择和自然选择的压力多施加于 核DNA上，而线粒体只是细胞进行能量代谢、 DNA上，而线粒体只是细胞进行能量代谢、 呼吸的一个细胞器，因而在整个进化过程 中承受了相对较小的选择压力，突变所造 成的一些变异非常容易固定下来。
mtDNA多态性研究的优点： mtDNA多态性研究的优点：
一、动物mtDNA的结构特点： 动物mtDNA的结构特点： mtDNA的结构特点 1.动物mtDNA的结构为双链环状DNA分子。一个线粒 1.动物mtDNA的结构为双链环状DNA分子。一个线粒 体内可有1个或几个DNA分子。 体内可有1个或几个DNA分子。 2.分子量较小，大多数动物mtDNA长度为5μm左右， 2.分子量较小，大多数动物mtDNA长度为5 大小约为16.5kb（15.7-19.5kb）处于限制性内切 大小约为16.5kb（15.7-19.5kb）处于限制性内切 酶的分析范围内。 3.现已确定哺乳动物基因组中有：同启动DNA有关的 3.现已确定哺乳动物基因组中有：同启动DNA有关的 D-loop环和13个蛋白质编码区（即细胞色素b、细 loop环和13个蛋白质编码区（即细胞色素b 胞色素氧化酶的3个亚基、ATP酶的2 胞色素氧化酶的3个亚基、ATP酶的2个亚基以及 NADH脱氢酶的7 NADH脱氢酶的7个亚基的编码序列）以及分别编码 16SrRNA和12SrRNA以及22个tRNA的DNA序列 16SrRNA和12SrRNA以及22个tRNA的DNA态性研究的缺点
1.mtDNA分子结构多样性问题 1.mtDNA分子结构多样性问题 虽然线粒体基因组大小和结构在脊椎动物十分 保守，在15.7-19.5kb之间，基因排列紧密，为闭 保守，在15.7-19.5kb之间，基因排列紧密，为闭 合环状分子，但在整个真核生物界中，线粒体基 因组大小和结构还是有很大差异的，这种差异可 能是由于原始的线粒体基因组在选择压力作用下， 有向小基因组和大基因组两个方向进化的可能， 因此，不同物种的mtDNA进化途径和速率就会存在 因此，不同物种的mtDNA进化途径和速率就会存在 差异，这样，用mtDNA对高分类阶元（界、门、纲 差异，这样，用mtDNA对高分类阶元（界、门、纲 等）物种进行系统进化研究就会比较复杂，所以， 线粒体基因不适合用于深层进化关系的研究。
随着对mtDNA核拷贝序列的认识不断深人，人们 随着对mtDNA核拷贝序列的认识不断深人，人们 发现这种序列广泛存在于脊推动物和无脊椎动物 细胞中，并且具有一些共同特征：（1）包括rRNA 细胞中，并且具有一些共同特征：（1）包括rRNA 基因、蛋白质编码基因、调控区在内，均可在核 基因组中找到其类似片段；（2 基因组中找到其类似片段；（2）核拷贝序列不仅 可以很长，而且拷贝数也可能很高；（3 可以很长，而且拷贝数也可能很高；（3）与其对 应的mtDNA有很高的同源性；（4 应的mtDNA有很高的同源性；（4）在同一核基因 组内，不同的插入序列进化程度不同；（5）与其 组内，不同的插入序列进化程度不同；（5 对应的线粒体基因相比具有不同的进化模式 ； ( 6 ) 易为通用引物扩增 。
4.线粒体基因核拷贝（插入） 4.线粒体基因核拷贝（插入）序列 线粒体基因核拷贝 现已证实，细胞核基因组内存在与mtDNA相似序 现已证实，细胞核基因组内存在与mtDNA相似序 列并且是以假基因（基因组中存在的一段与正常 基因非常相似但不能表达的DNA序列 基因非常相似但不能表达的DNA序列 ）形式存在 的，在不同物种丰富度也不尽相同，但同样可以 用通用引物扩增出来，有时甚至比mtDNA更易与通 用通用引物扩增出来，有时甚至比mtDNA更易与通 用引物结合，从而干扰线粒体基因目的片段的扩 增。在对 PCR产物进行电泳分析时，往往有非特 PCR产物进行电泳分析时，往往有非特 异性条带出现， 增加了背景噪音，对测序非常不 利。不仅增加了研究工作的难度，有时甚至会得 出错误的结论。
动物mtDNA 动物mtDNA多态性研究的利与弊 mtDNA多态性研究的利与弊
制作人：王晓臣
自1962年Nass等人首次发现mtDNA，由 1962年Nass等人首次发现mtDNA，由 于其具有的独特优点，mtDNA多态性研 于其具有的独特优点，mtDNA多态性研 究分析已经被广泛应用于动物的物种 起源，种间、种内亲缘关系，系统发 生、进化、分类以及遗传育种等实践 中。
2.mtDNA代谢时间显著短于核DNA 2.mtDNA代谢时间显著短于核DNA 由于代谢过程中被损伤与破坏的线粒体需要不 断补充，这一速度的加快为碱基的突变提供了较 多的机会，而且一旦突变发生就将迅速的传递下 去。 3.mtDNA受溶变剂的作用 3.mtDNA受溶变剂的作用 由于mtDNA不为蛋白质压缩，所以线粒体在进行 由于mtDNA不为蛋白质压缩，所以线粒体在进行 氧化磷酸化和许多代谢反应时，一些自由基和一 些代谢中间产物就在其中积累，这些物质都是强 的诱化剂，致使mtDNA突变率增高。 的诱化剂，致使mtDNA突变率增高。
因此，应用mtDNA多态性分析进行系统发育、 因此，应用mtDNA多态性分析进行系统发育、 种群遗传方面的研究，其结果的准确性在一定程 度上是值得怀疑的。另外，泛素作为分子伴侣成 员之一，它参与了DNA修复、蛋白质及向线粒体运 员之一，它参与了DNA修复、蛋白质及向线粒体运 输等活动，因此泛素化是否与父系线粒体的排除 直接相关还有待于进一步证实。 还有，在脊椎动物线粒体基因组遗传特性的研 究工作中，多以小鼠作为实验模型，但小鼠胞质 遗传模式似乎并不能反映所有其他动物的遗传模 式，如中心粒在小鼠呈母性遗传，而在人和其他 脊椎动物则由精子提供，因此将小鼠mtDNA遗传模 脊椎动物则由精子提供，因此将小鼠mtDNA遗传模 式推广到人和其他动物，还有待商榷。
二、母系遗传 二、母系遗传 动物的mtDNA以母系遗传的方式进行传递，即 动物的mtDNA以母系遗传的方式进行传递，即 mtDNA的遗传贡献取决于卵细胞，母系遗传也决定 mtDNA的遗传贡献取决于卵细胞，母系遗传也决定 了不论是在不同生态条件下的不同群体间或同一 生态条件下的父母本间都不发生重组。 三、无组织特异性 三、无组织特异性 在所有的哺乳动物及绝大多数其他脊椎动物中， 个体内mtDNA具有高度的均一性，即对同一个体的 个体内mtDNA具有高度的均一性，即对同一个体的 肾、心、肝、胎盘、皮肤来讲没有组织特异性。
3.线粒体DNA有无重组 3.线粒体DNA有无重组 线粒体DNA
线粒体基因组重组由Puhalla等在1967研究链孢霉缓慢 线粒体基因组重组由Puhalla等在1967研究链孢霉缓慢 生长品系和正常品系异接体时发现的，随后Thomas和 生长品系和正常品系异接体时发现的，随后Thomas和 Wilkie报道了酵母线粒体基因组有重组发生，但这些结论 Wilkie报道了酵母线粒体基因组有重组发生，但这些结论 仅是依据表型上的变异而得出的。80年代后期线粒体遗传 仅是依据表型上的变异而得出的。80年代后期线粒体遗传 重组在植物、真菌、原生生物普遍存在的事已为人们所认 识，但仍有很多人否认动物mtDNA有重组发生。 识，但仍有很多人否认动物mtDNA有重组发生。 Thyagarajann等于1996年用实验方法证明哺乳动物线粒 Thyagarajann等于1996年用实验方法证明哺乳动物线粒 体抽提物具有同源重组活性，并推测与mtDNA损伤修复有 体抽提物具有同源重组活性，并推测与mtDNA损伤修复有 关。1997年，Hyman工作组利用PCR技术进行体外验，再次 关。1997年，Hyman工作组利用PCR技术进行体外验，再次 向世人展示线粒体基因组重组在动物细胞内是可能发生的。 另外，多年的研究已经证明，与DNA代谢有关的酶 另外，多年的研究已经证明，与DNA代谢有关的酶 ，如核 酸内切酶、拓扑异构酶等，也存在于线粒体细胞核中，说 明动物线粒体基因组在一定程度上是相当活跃的， 因此 同源重组也是有可能发生的。
四、mtDNA 四、mtDNA进化速度快 mtDNA进化速度快 mtDNA的进化速度是单拷贝DNA进化速度 mtDNA的进化速度是单拷贝DNA进化速度 的5-10倍，多数情况，mtDNA的变异主要是 10倍，多数情况，mtDNA的变异主要是 由于碱基替换、转换和颠换原因所致，很 少有基因重排；在亲缘关系较近的物种间， mtDNA变异的主要原因是碱基转换，很少发 mtDNA变异的主要原因是碱基转换，很少发 生缺失和插入。 mtDNA进化速度快的原因： mtDNA进化速度快的原因： 1.mtDNA复制中易发生错配；动物的线粒体缺 1.mtDNA复制中易发生错配；动物的线粒体缺 乏修复机制，γ 乏修复机制，γ-聚合酶也不具备核对能力， 造成碱基不配对的频率较高。
5.近源种间线粒体遗传物质交流 5.近源种间线粒体遗传物质交流 在鸟类中，陈强等采用PCR技术和细胞色素b 在鸟类中，陈强等采用PCR技术和细胞色素b基 因序列分析等方法，发现采自甘肃六盘山地区大 石鸡种群中有相邻分布的山石鸡的mtDNA基因型存 石鸡种群中有相邻分布的山石鸡的mtDNA基因型存 在，且具有这种基因型的个体占该种群的25%，而 在，且具有这种基因型的个体占该种群的25%，而 其他地区大石鸡种群没有发现这种mtDNA基因型， 其他地区大石鸡种群没有发现这种mtDNA基因型， 从而支持了这两种石鸡之间存在或曾经发生过杂 交的假设。另外，用线粒体基因来研究家养动物 与其野生祖先的谱系关系，也有类似问题存在 。 据此看来，邻域分布的近源种间杂交在不同门 类动物中还是多有发生的。造成线粒体基因在种 问转移。因此，在研究近源种系统进化关系时， 仅仅使用mtDNA多态分析显然是欠妥的。这时，应 仅仅使用mtDNA多态分析显然是欠妥的。这时，应 用形态、考古、生物、地理方面的资料就显得十 分重要了。
2.父系mtDNA在子代中是否存在 2.父系mtDNA在子代中是否存在 父系mtDNA mtDNA的遗传方式长期被认为是呈严格的母系遗 mtDNA的遗传方式长期被认为是呈严格的母系遗 传，而父系mtDNA对后代几乎毫无贡献；有报道称， 传，而父系mtDNA对后代几乎毫无贡献；有报道称， 大鼠精子线粒体在受精时可以进入卵细胞，但他 们先是膨胀，然后崩解，在其他动物即使保留至 卵裂期，精子线粒体也会通过与溶酶体融合或被 泛素化而降解。但是实验证明，精子mtDNA与卵子 泛素化而降解。但是实验证明，精子mtDNA与卵子 mtDNA相比，在结构和碱基修饰上并无本质区别。 mtDNA相比，在结构和碱基修饰上并无本质区别。 事实上，在精子线粒体解体后，mtDNA的最终去向 事实上，在精子线粒体解体后，mtDNA的最终去向 并不清楚，可能全部水解，也可能掺入卵细胞的 线粒体中。Gyllensten等用PCR方法检测到小鼠父 线粒体中。Gyllensten等用PCR方法检测到小鼠父 系mtDNA与母系mtDNA相比虽仅占10-4，但也会使线 mtDNA与母系mtDNA相比虽仅占10 粒体基因组产生异质性。