线粒体DNA

线粒体DNA（英语：mitochondrial DNA，缩写作mDNA或mtDNA）是真核细胞中一些位于线粒体内的DNA，与一般位于细胞核内的DNA有不同的演化起源，可能是源自早期细菌。虽然现存真核生物体中绝大多数作用于线粒体的蛋白质，是由细胞核DNA所制造，但这些基因中有一些可能是源于细菌，并于演化过程中转移到细胞核中，称为核内线粒体片段（英语：Numt）。

人类线粒体DNA（英语：Human mitochondrial DNA）的37个基因，和各自的H-和L-链。

电子显微镜揭示了离散病灶的线粒体DNA。比例尺：200nm。(A) 经抗DNA免疫金标定后的细胞质切片；标示线粒体DNA（mtDNA）的金粒子可见于线粒体膜附近。 (B) 经CSK缓冲液抽取后的细胞质整体观察图，并以抗DNA抗体进行免疫金标定；线粒体DNA（由金粒子标示）在抽取后仍可保留，显示其抗抽取性。 From Iborra et al., 2004.^[1]

现今人类体内的每个细胞中，大约有1000到10000个线粒体，而每一个线粒体内，则大约有2到10组mtDNA，每个mtDNA共包含16569个碱基对，其中有37个基因，可用来制造13种蛋白质、22种tRNA与两种rRNA。其中的内含子较细胞核基因少，且有些不含内含子，如tRNA基因。

突变速率

动物体内的线粒体DNA并不会经过遗传重组，因此与细胞核DNA相较之下有较高的突变速率（重组有修复突变的功能）；而植物与真菌类体内的mtDNA则存在着重组现象，其中植物的mtDNA突变速率高于细胞核DNA；真菌方面的mtDNA突变速率则尚未明了^[2]。

由于动物的mtDNA的突变速率高于细胞核DNA，较为容易测量计算，使mtDNA成为用来追溯动物母系族谱的有效工具，例如许多物种在数百个世代以前的祖先。此外，人类的mtDNA也可用来进行个体辨识。

线粒体DNA起源

主条目：共生体学说

真核细胞的细胞核DNA和线粒体DNA可能来自不同的演化起源，目前认为真核细胞的源自于古菌，而线粒体原先则是遭到古菌吞噬的细菌，但没有被消化，反而成为真核细胞最早的细胞器，建立共生关系，此理论称为内共生理论。也因此线粒体DNA（mtDNA）保有原核细胞DNA特征，例如其保有环状基因组，在遗传序列上也更接近细菌域的DNA。

在现存生物的细胞中，线粒体中绝大多数蛋白质（在哺乳动物中约有1500种）由核DNA编码，但其中部分甚至大多数基因被认为具有细菌来源，并在演化过程中转移至真核细胞核基因组中^[3]。

关于线粒体为何保留部分基因的原因仍存在争议。一些物种中存在缺乏基因组的“线粒体衍生细胞器”^[4]，这表明基因的完全丧失是可能的，并且将线粒体转基因至细胞核具有多项优势^[5]。 一种假说认为，远端合成的疏水性蛋白质难以正确运送至线粒体，因此部分基因保留于mtDNA中^[6]； 另一种称为CoRR假说（英语：colocalisation for redox regulation）的理论则认为，保留基因有助于在局部控制线粒体的氧化还原调节与基因表达^[7]。 近期对多种mtDNA基因组的分析显示，这两种因素都可能在线粒体基因保留中发挥作用^[3]。

线粒体遗传

对动物而言，受精卵中的mtDNA主要遗传自母亲；而对植物来说略有变异，但仍然以母系遗传为主；真菌则源自双亲。

雌性遗传

正常状况下，线粒体只会遗传自母亲，以哺乳类而言，一般在受精之后，卵子细胞就会将精子中的线粒体摧毁^[8]。1999年发表的研究中显示，父系精子线粒体（含有mtDNA）带有泛素（ubiquitin）标记，因而在胚胎中会被挑选出来，进而遭到摧毁^[9]。不过某些细胞外的人工受精技术可直接将精子注入卵子细胞内，可能会干扰摧毁精子线粒体的过程。

由于母系遗传的特性，使得研究者能够借由线粒体DNA，追溯长时间的母系族谱（与之相对的为专门用来追溯父系族谱的Y染色体）。人类的线粒体DNA中累积了一些高度变异控制区域（hypervariable control region；包括HVR1与HVR2），在HVR1中含有大约440个碱基对，这些碱基对可用来与其他个体（特定人士或数据库中的讯息）的控制区作比对，进而测定出母系族谱。Vilà等人的研究中回溯了家犬与狼的母系祖先，同样的分析方式也导出了线粒体夏娃概念，用于研究人类起源。

由于mtDNA并非高度保守，而是拥有较快的突变速率，因此可用来研究系统发生学，生物学家挑选少量不同物种的基因，分析其序列的保留与变异程度，可建立出演化树。

雄性遗传

目前已知有时候有些物种体内，如蚌类，也会有一些遗传自父亲的线粒体^[10]。此外，也有研究发现某些昆虫，如果蝇^[11]与蜜蜂^[12]，也有父系线粒体遗传的现象。

少量的例证显示雄性线粒体遗传也存在于某些哺乳类。曾有人发表老鼠的父系线粒体遗传^[13][14]，但随后又遭否定。此外，已知具父系线粒体遗传的还有绵羊^[15]与复制牛^[16]。某些人类个案中，也发现同样情形^[17]，这种情形相当少见，整个线粒体中可能只有一个线粒体DNA是遗传自父亲^[18]。

遗传疾病

线粒体DNA的突变可造成许多的疾病，如运动障碍（exercise intolerance）或凯塞综合征（Kearns-Sayre syndrome，KSS），一种可使患者心脏、眼睛与肌肉完全失去运动功能的疾病。

遗传密码

线粒体拥有其独特的编码系统，与核细胞DNA的通用密码子有些许差异，反而更接近α-变形杆菌^[19]。真菌、原生生物和人以及其它动物的线粒体中的遗传密码与标准遗传密码的差异，主要变化如下：

密码子	通常的作用	例外的作用	所属的生物
UGA	中止编码	色氨酸编码	人、牛、酵母线粒体，支原体(Mycoplasma)核基因组，如Capricolum
AGG	精氨酸编码	中止编码	大部分动物线粒体，脊椎动物线粒体
AGA	精氨酸编码	丝氨酸编码	果蝇线粒体
AUA	异亮氨酸编码	蛋氨酸编码	一些动物和酵母线粒体
AAA	赖氨酸编码	天冬氨酸编码	一些动物的线粒体，果蝇线粒体
CUN	亮氨酸编码	苏氨酸编码	酵母线粒体

基因组

以人类线粒体为例，其所有37个基因皆位于单一的环状双链DNA分子，包含个16,569碱基对^[20]，其中13个是编码蛋白质的编码基因，24个是非编码基因（其中2个基因编码核糖体RNA（rRNA）、22个基因编码转运RNA（tRNA）。根据每条DNA链基因数的多少，可将人线粒体DNA进一步分为重链与轻链。重链上的基因较多，有12个蛋白质基因、2个核糖体RNA基因，以及14个tRNA基因；基因较少的轻链编码1个蛋白质基因以及8个tRNA基因^[21][22]。

线粒体基因有一些特殊的性质，首先，其不受核膜所包被，由线粒体的内膜及外膜包覆^[23]。此外，人类线粒体DNA的编码高度紧凑，几乎不含内含子，甚至存在重叠区，同一段序列可分属两种基因的编码框^[24]。但某些物种的线粒体则可能具有内含子^[25]。

人线粒体上的37个基因^[26]

基因名	类型	产物	线粒体DNA上的位置	DNA链
MT-ATP8	蛋白编码	ATP合成酶Fo亚基8（线粒体复合体V）	08,366–08,572（与MT-ATP6有重叠）	重链（H）
MT-ATP6	蛋白编码	ATP合成酶Fo亚基6（线粒体复合体V）	08,527–09,207（与MT-ATP8有重叠）	重链（H）
MT-CO1	蛋白编码	细胞色素c氧化酶1号亚基（线粒体复合体IV）	05,904–07,445	重链（H）
MT-CO2	蛋白编码	细胞色素c氧化酶2号亚基（线粒体复合体IV）	07,586–08,269	重链（H）
MT-CO3	蛋白编码	细胞色素c氧化酶3号亚基（线粒体复合体IV）	09,207–09,990	重链（H）
MT-CYB	蛋白编码	细胞色素B（线粒体复合体III）	14,747–15,887	重链（H）
MT-ND1	蛋白编码	NADH脱氢酶1号亚基（线粒体复合体I）	03,307–04,262	重链（H）
MT-ND2	蛋白编码	NADH脱氢酶2号亚基（线粒体复合体I）	04,470–05,511	重链（H）
MT-ND3	蛋白编码	NADH脱氢酶3号亚基（线粒体复合体I）	10,059–10,404	重链（H）
MT-ND4L	蛋白编码	NADH脱氢酶4L亚基（线粒体复合体I）	10,470–10,766（与MT-ND4有重叠）	重链（H）
MT-ND4	蛋白编码	NADH脱氢酶4号亚基（线粒体复合体I）	10,760–12,137（与MT-ND4L有重叠）	重链（H）
MT-ND5	蛋白编码	NADH脱氢酶5号亚基（线粒体复合体I）	12,337–14,148	重链（H）
MT-ND6	蛋白编码	NADH脱氢酶6号亚基（线粒体复合体I）	14,149–14,673	轻链（L）
MT-TA	tRNA	丙氨酸tRNA	05,587–05,655	轻链（L）
MT-TR	tRNA	精氨酸tRNA	10,405–10,469	重链（H）
MT-TN	tRNA	天冬酰胺tRNA	05,657–05,729	轻链（L）
MT-TD	tRNA	天冬氨酸tRNA	07,518–07,585	重链（H）
MT-TC	tRNA	半胱氨酸tRNA	05,761–05,826	轻链（L）
MT-TE	tRNA	谷氨酸tRNA	14,674–14,742	轻链（L）
MT-TQ	tRNA	谷氨酰胺tRNA	04,329–04,400	轻链（L）
MT-TG	tRNA	甘氨酸tRNA	09,991–10,058	重链（H）
MT-TH	tRNA	组氨酸tRNA	12,138–12,206	重链（H）
MT-TI	tRNA	异亮氨酸tRNA	04,263–04,331	重链（H）
MT-TL1	tRNA	亮氨酸tRNA	03,230–03,304	重链（H）
MT-TL2	tRNA	亮氨酸tRNA	12,266–12,336	重链（H）
MT-TK	tRNA	赖氨酸tRNA	08,295–08,364	重链（H）
MT-TM	tRNA	甲硫氨酸tRNA	04,402–04,469	重链（H）
MT-TF	tRNA	苯丙氨酸tRNA	00,577–00,647	重链（H）
MT-TP	tRNA	脯氨酸tRNA	15,956–16,023	轻链（L）
MT-TS1	tRNA	丝氨酸tRNA	07,446–07,514	轻链（L）
MT-TS2	tRNA	丝氨酸tRNA	12,207–12,265	重链（H）
MT-TT	tRNA	苏氨酸tRNA	15,888–15,953	重链（H）
MT-TW	tRNA	色氨酸tRNA	05,512–05,579	重链（H）
MT-TY	tRNA	酪氨酸tRNA	05,826–05,891	轻链（L）
MT-TV	tRNA	缬氨酸tRNA	01,602–01,670	重链（H）
MT-RNR1	rRNA[注 1]	线粒体核糖体小亚基 (12S)	00,648–01,601	重链（H）
MT-RNR2	rRNA[注 2]	线粒体核糖体大亚基 (16S)	01,671–03,229	重链（H）

转录

线粒体DNA进行多顺反子转录，一次会有多个基因一同被转录，之后剪切酶会将转录本进行切割加工，将mRNA、rRNA，以及位于mRNA序列之间的短小tRNA序列从初始转录本上切下^[27][28]。

参见

• 细胞生物学主题
• 分子生物学主题
• 遗传学主题

• 人类粒线体DNA单倍体群
• 单一起源说
• 线粒体夏娃
• 叶绿体DNA
• 线粒体基因组

注释

1. MT-RNR1区域内亦存在一些编码小肽的基因
2. MT-RNR2区域内亦存在一些编码小肽的基因