分子生物学第03章线粒体基因组分析

亚 cyt c 生物发生
基 保守ORF
rrn 26 rrn 18 rrn 5 至少16种 rps 1, rps 3, rps 7, rps 12, rps 13, rps 14, rps 19 rpl 1, rpl 2, rpl 5, rpl 16
nad 1, nad 2, nad 3, nad 4, nad 4L, nad 5, nad 6, nad 7, nad 9 cyt b cox 1, cox 2, cox 3 atp 1, atp 6, atp 9 至少4个基因 已知至少10个
高等植物线粒体基因中没有发现Ⅰ类内含子存在。
图3－6 遗传信息在3个基因组间的转移
生物种类 小麦 油菜 甘蓝 菠菜 玉米（育系） 玉米（雄性不育系） 西瓜 甜瓜 黄瓜 蚕豆 绿豆 地钱
mt DNA (kb) 430 221 219 327 570 540 330 2600 1500 285 400
184.400
分离完整线粒体DNA的方法
为了避免分离提纯线粒体DNA时带来的人工损伤， 将线粒体制品包埋到低熔点琼脂糖凝胶中，然后用去 垢剂和蛋白酶K处理以释放DNA,这种方法叫胶块内提 取法，DNA分子结构基本上是完整的。然后将胶块放 在制备好的琼脂糖胶样品池中跑脉冲电泳。在这种电 泳中，环状DNA分子的泳动与分子量比它高得多的线 状DNA分子相似（100kb环状DNA分子与2200kb线状 DNA分子相似）。
3 线粒体基因组
Mitochondrial genome
3.1 线粒体基因组的大小 3.2 线粒体基因组的组织结构 3.3 线粒体基因组的组成 3.4 线粒体基因的一些特征 3.5 RNA编辑 3.6 植物细胞质雄性不育与线粒体的关系 3.7 遗传信息在基因组之间的流动
3.1 线粒体基因组的大小
植物线粒体基因组不仅特别大，还表现出很大 的差异性，如西瓜与甜瓜线粒体基因组的差异。而 动物线粒体基因组则小得多，大小也比较接近。但 植物mtDNA所包含的有功能的遗传信息量并不比动 物 mtDNA 大 多 少 ， 主 要 是 因 为 植 物 mtDNA 含 有 很 多内含子及重复序列，基因间的间隔区也很大。 mtDNA突变快。细胞培养的mtDNA与正常植物中 的mtDNA有较大的不同。
表3－4 不同生物线粒体之间遗传密码的 变化以及与核基因的差异
密码
UGA AGA、AGG
AUA AUU CGG CUU、CUC、 CUA、CUG
核 叶绿体
终止 精
异亮 异亮
精
亮
哺乳动物 色
终止 甲硫 甲硫
精
果蝇 色 丝
甲硫 甲硫
精
线粒体 粗糙脉孢菌
色 精 异亮 甲硫 精
酵母 色 精
甲硫 甲硫
精
亮
亮
主宰染色体模型
根 据 “ 主 宰 染 色 体 模 型 ” （ master chromosome model），有些植物线粒体基因组可以 用单个环状DNA分子来代表，这个分子包含了所有 的遗传信息，故称之为“主宰染色体”。如果主宰 染色体上由许多正向重复序列对的话，通过分离重 组就会产生许多大小不等的环状分子。
亮
苏
植物 终止
精 异亮 异亮 色和精
亮
线粒体基因中的内含子
动物线粒体基因不含内含子，植物线粒体基因含有内含 子（但也有少数低等植物如红藻线粒体基因没有内含子）。 内含子可分为Ⅰ类内含子和Ⅱ类内含子。Ⅰ类内含子具有 “中部核心结构”（centrol core structure），该结构在RNA 剪接中起作用，构成这种二级结构的是四个10～12个碱基的 保守序列；没有这种“中部核心结构”的内含子属于Ⅱ类内 含子。有些内含子中还具有ORF，其序列类似于RNA成熟酶 （即内切酶）或逆转录酶。
线粒体DNA分子的形状
从 脉 冲 场 凝 胶 电 泳 上 mtDNA 的 行 为 看 ， 大 多 数植物和真菌的mtDNA表现出是线状分子，但也 有很多植物中有环状分子。在一些植物线粒体中， 含有大小不等的许多环状分子。如在烟草培养细胞 中，整个线粒体基因组以一个亚基因组环的群体存 在，大环与小环、小环与小环之间有联系。
表3－1 线粒体基因组大小
生物种类 人 鼠 牛 鲸 鸡 海胆（P. lividus) 海星 果蝇 土壤线虫 酵母 红藻（C. merole) 拟南芥
mt DNA (kb) 16.569 16.295 16.298 16.398 16.775 15.697 16.260 16.019 13.794 84 32.211 366.924
线粒体DNA分子的形状
mtDNA既有环状分子，也有线状分子，在一种 生物体内也可能两种形态的分子同时存在。
动 物 mtDNA 大 部 分 是 环 状 分 子 ， 周 长 约 5.0 ～ 5.8μm，这不仅用电镜可以观察到，而且用CsCl密 度梯度离心可以分离到它们的超螺旋分子。然而最 近用人的细胞株mtDNA的研究表明，有1%左右是 线状的，50%是环状的，其余是一种连环多聚体。
环状DNA重复序列间的重组
同向重复 反向重复
图3－4 玉米线粒体基因组的环状分子
图3－1 人线粒体DNA基因图谱
表3－2 已确定的植物 mtDNA 编码基因
rRNA 26S
翻
18S
译
5S
装 置
tRNA 核糖体蛋白小亚基
大亚基
呼 NADH－脱氢酶
吸
链 复 合
cyt b cyt c 氧化酶
Baidu Nhomakorabea
体 ATP合酶