線粒體DNA

線粒體DNA（英語：mitochondrial DNA，縮寫作mDNA或mtDNA）是真核細胞中一些位於線粒體內的DNA，與一般位於細胞核內的DNA有不同的演化起源，可能是源自早期細菌。雖然現存真核生物體中絕大多數作用於線粒體的蛋白質，是由細胞核DNA所製造，但這些基因中有一些可能是源於細菌，並於演化過程中轉移到細胞核中，稱為核內線粒體片段（英語：Numt）。

人類線粒體DNA（英語：Human mitochondrial DNA）的37個基因，和各自的H-和L-鏈。

電子顯微鏡揭示了離散病灶的線粒體DNA。比例尺：200nm。(A) 經抗DNA免疫金標定後的細胞質切片；標示線粒體DNA（mtDNA）的金粒子可見於線粒體膜附近。 (B) 經CSK緩衝液抽取後的細胞質整體觀察圖，並以抗DNA抗體進行免疫金標定；線粒體DNA（由金粒子標示）在抽取後仍可保留，顯示其抗抽取性。 From Iborra et al., 2004.^[1]

現今人類體內的每個細胞中，大約有1000到10000個線粒體，而每一個線粒體內，則大約有2到10組mtDNA，每個mtDNA共包含16569個鹼基對，其中有37個基因，可用來製造13種蛋白質、22種tRNA與兩種rRNA。其中的內含子較細胞核基因少，且有些不含內含子，如tRNA基因。

突變速率

動物體內的線粒體DNA並不會經過遺傳重組，因此與細胞核DNA相較之下有較高的突變速率（重組有修復突變的功能）；而植物與真菌類體內的mtDNA則存在着重組現象，其中植物的mtDNA突變速率高於細胞核DNA；真菌方面的mtDNA突變速率則尚未明瞭^[2]。

由於動物的mtDNA的突變速率高於細胞核DNA，較為容易測量計算，使mtDNA成為用來追溯動物母系族譜的有效工具，例如許多物種在數百個世代以前的祖先。此外，人類的mtDNA也可用來進行個體辨識。

線粒體DNA起源

主條目：共生體學說

真核細胞的細胞核DNA和線粒體DNA可能來自不同的演化起源，目前認為真核細胞的源自於古菌，而線粒體原先則是遭到古菌吞噬的細菌，但沒有被消化，反而成為真核細胞最早的細胞器，建立共生關係，此理論稱為內共生理論。也因此線粒體DNA（mtDNA）保有原核細胞DNA特徵，例如其保有環狀基因組，在遺傳序列上也更接近細菌域的DNA。

在現存生物的細胞中，線粒體中絕大多數蛋白質（在哺乳動物中約有1500種）由核DNA編碼，但其中部分甚至大多數基因被認為具有細菌來源，並在演化過程中轉移至真核細胞核基因組中^[3]。

關於線粒體為何保留部分基因的原因仍存在爭議。一些物種中存在缺乏基因組的「線粒體衍生細胞器」^[4]，這表明基因的完全喪失是可能的，並且將線粒體轉基因至細胞核具有多項優勢^[5]。 一種假說認為，遠端合成的疏水性蛋白質難以正確運送至線粒體，因此部分基因保留於mtDNA中^[6]； 另一種稱為CoRR假說（英語：colocalisation for redox regulation）的理論則認為，保留基因有助於在局部控制線粒體的氧化還原調節與基因表達^[7]。 近期對多種mtDNA基因組的分析顯示，這兩種因素都可能在線粒體基因保留中發揮作用^[3]。

線粒體遺傳

對動物而言，受精卵中的mtDNA主要遺傳自母親；而對植物來說略有變異，但仍然以母系遺傳為主；真菌則源自雙親。

雌性遺傳

正常狀況下，線粒體只會遺傳自母親，以哺乳類而言，一般在受精之後，卵子細胞就會將精子中的線粒體摧毀^[8]。1999年發表的研究中顯示，父系精子線粒體（含有mtDNA）帶有泛素（ubiquitin）標記，因而在胚胎中會被挑選出來，進而遭到摧毀^[9]。不過某些細胞外的人工受精技術可直接將精子注入卵子細胞內，可能會干擾摧毀精子線粒體的過程。

由於母系遺傳的特性，使得研究者能夠藉由線粒體DNA，追溯長時間的母系族譜（與之相對的為專門用來追溯父系族譜的Y染色體）。人類的線粒體DNA中累積了一些高度變異控制區域（hypervariable control region；包括HVR1與HVR2），在HVR1中含有大約440個鹼基對，這些鹼基對可用來與其他個體（特定人士或數據庫中的訊息）的控制區作比對，進而測定出母系族譜。Vilà等人的研究中回溯了家犬與狼的母系祖先，同樣的分析方式也導出了線粒體夏娃概念，用於研究人類起源。

由於mtDNA並非高度保守，而是擁有較快的突變速率，因此可用來研究種系發生學，生物學家挑選少量不同物種的基因，分析其序列的保留與變異程度，可建立出演化樹。

雄性遺傳

目前已知有時候有些物種體內，如蚌類，也會有一些遺傳自父親的線粒體^[10]。此外，也有研究發現某些昆蟲，如果蠅^[11]與蜜蜂^[12]，也有父系線粒體遺傳的現象。

少量的例證顯示雄性線粒體遺傳也存在於某些哺乳類。曾有人發表老鼠的父系線粒體遺傳^[13][14]，但隨後又遭否定。此外，已知具父系線粒體遺傳的還有綿羊^[15]與複製牛^[16]。某些人類個案中，也發現同樣情形^[17]，這種情形相當少見，整個線粒體中可能只有一個線粒體DNA是遺傳自父親^[18]。

遺傳疾病

線粒體DNA的突變可造成許多的疾病，如運動障礙（exercise intolerance）或凱塞綜合症（Kearns-Sayre syndrome，KSS），一種可使患者心臟、眼睛與肌肉完全失去運動功能的疾病。

遺傳密碼

線粒體擁有其獨特的編碼系統，與核細胞DNA的通用密碼子有些許差異，反而更接近α-變形桿菌^[19]。真菌、原生生物和人以及其它動物的線粒體中的遺傳密碼與標準遺傳密碼的差異，主要變化如下：

密碼子	通常的作用	例外的作用	所屬的生物
UGA	中止編碼	色氨酸編碼	人、牛、酵母線粒體，支原體(Mycoplasma)核基因組，如Capricolum
AGG	精氨酸編碼	中止編碼	大部分動物線粒體，脊椎動物線粒體
AGA	精氨酸編碼	絲氨酸編碼	果蠅線粒體
AUA	異白氨酸編碼	蛋氨酸編碼	一些動物和酵母線粒體
AAA	離胺酸編碼	天冬氨酸編碼	一些動物的線粒體，果蠅線粒體
CUN	白氨酸編碼	蘇氨酸編碼	酵母線粒體

基因組

以人類線粒體為例，其所有37個基因皆位於單一的環狀雙鏈DNA分子，包含個16,569鹼基對^[20]，其中13個是編碼蛋白質的編碼基因，24個是非編碼基因（其中2個基因編碼核糖體RNA（rRNA）、22個基因編碼轉運RNA（tRNA）。根據每條DNA鏈基因數的多少，可將人線粒體DNA進一步分為重鏈與輕鏈。重鏈上的基因較多，有12個蛋白質基因、2個核糖體RNA基因，以及14個tRNA基因；基因較少的輕鏈編碼1個蛋白質基因以及8個tRNA基因^[21][22]。

線粒體基因有一些特殊的性質，首先，其不受核膜所包被，由線粒體的內膜及外膜包覆^[23]。此外，人類線粒體DNA的編碼高度緊湊，幾乎不含內含子，甚至存在重疊區，同一段序列可分屬兩種基因的編碼框^[24]。但某些物種的線粒體則可能具有內含子^[25]。

人線粒體上的37個基因^[26]

基因名	類型	產物	線粒體DNA上的位置	DNA鏈
MT-ATP8	蛋白編碼	ATP合成酶Fo亞基8（線粒體複合體V）	08,366–08,572（與MT-ATP6有重疊）	重鏈（H）
MT-ATP6	蛋白編碼	ATP合成酶Fo亞基6（線粒體複合體V）	08,527–09,207（與MT-ATP8有重疊）	重鏈（H）
MT-CO1	蛋白編碼	細胞色素c氧化酶1號亞基（線粒體複合體IV）	05,904–07,445	重鏈（H）
MT-CO2	蛋白編碼	細胞色素c氧化酶2號亞基（線粒體複合體IV）	07,586–08,269	重鏈（H）
MT-CO3	蛋白編碼	細胞色素c氧化酶3號亞基（線粒體複合體IV）	09,207–09,990	重鏈（H）
MT-CYB	蛋白編碼	細胞色素B（線粒體複合體III）	14,747–15,887	重鏈（H）
MT-ND1	蛋白編碼	NADH脫氫酶1號亞基（線粒體複合體I）	03,307–04,262	重鏈（H）
MT-ND2	蛋白編碼	NADH脫氫酶2號亞基（線粒體複合體I）	04,470–05,511	重鏈（H）
MT-ND3	蛋白編碼	NADH脫氫酶3號亞基（線粒體複合體I）	10,059–10,404	重鏈（H）
MT-ND4L	蛋白編碼	NADH脫氫酶4L亞基（線粒體複合體I）	10,470–10,766（與MT-ND4有重疊）	重鏈（H）
MT-ND4	蛋白編碼	NADH脫氫酶4號亞基（線粒體複合體I）	10,760–12,137（與MT-ND4L有重疊）	重鏈（H）
MT-ND5	蛋白編碼	NADH脫氫酶5號亞基（線粒體複合體I）	12,337–14,148	重鏈（H）
MT-ND6	蛋白編碼	NADH脫氫酶6號亞基（線粒體複合體I）	14,149–14,673	輕鏈（L）
MT-TA	tRNA	丙氨酸tRNA	05,587–05,655	輕鏈（L）
MT-TR	tRNA	精氨酸tRNA	10,405–10,469	重鏈（H）
MT-TN	tRNA	天冬酰胺tRNA	05,657–05,729	輕鏈（L）
MT-TD	tRNA	天冬氨酸tRNA	07,518–07,585	重鏈（H）
MT-TC	tRNA	半胱氨酸tRNA	05,761–05,826	輕鏈（L）
MT-TE	tRNA	穀氨酸tRNA	14,674–14,742	輕鏈（L）
MT-TQ	tRNA	穀氨醯胺tRNA	04,329–04,400	輕鏈（L）
MT-TG	tRNA	甘氨酸tRNA	09,991–10,058	重鏈（H）
MT-TH	tRNA	組氨酸tRNA	12,138–12,206	重鏈（H）
MT-TI	tRNA	異白氨酸tRNA	04,263–04,331	重鏈（H）
MT-TL1	tRNA	白氨酸tRNA	03,230–03,304	重鏈（H）
MT-TL2	tRNA	白氨酸tRNA	12,266–12,336	重鏈（H）
MT-TK	tRNA	離胺酸tRNA	08,295–08,364	重鏈（H）
MT-TM	tRNA	甲硫氨酸tRNA	04,402–04,469	重鏈（H）
MT-TF	tRNA	苯丙氨酸tRNA	00,577–00,647	重鏈（H）
MT-TP	tRNA	脯氨酸tRNA	15,956–16,023	輕鏈（L）
MT-TS1	tRNA	絲氨酸tRNA	07,446–07,514	輕鏈（L）
MT-TS2	tRNA	絲氨酸tRNA	12,207–12,265	重鏈（H）
MT-TT	tRNA	蘇氨酸tRNA	15,888–15,953	重鏈（H）
MT-TW	tRNA	色氨酸tRNA	05,512–05,579	重鏈（H）
MT-TY	tRNA	酪氨酸tRNA	05,826–05,891	輕鏈（L）
MT-TV	tRNA	纈氨酸tRNA	01,602–01,670	重鏈（H）
MT-RNR1	rRNA[註 1]	線粒體核糖體小亞基 (12S)	00,648–01,601	重鏈（H）
MT-RNR2	rRNA[註 2]	線粒體核糖體大亞基 (16S)	01,671–03,229	重鏈（H）

轉錄

線粒體DNA進行多順反子轉錄，一次會有多個基因一同被轉錄，之後剪切酶會將轉錄本進行切割加工，將mRNA、rRNA，以及位於mRNA序列之間的短小tRNA序列從初始轉錄本上切下^[27][28]。

參見

• 細胞生物學主題
• 分子生物學主題
• 遺傳學主題

• 人類粒線體DNA單倍體群
• 單一起源說
• 線粒體夏娃
• 葉綠體DNA
• 線粒體基因組

註釋

1. MT-RNR1區域內亦存在一些編碼小肽的基因
2. MT-RNR2區域內亦存在一些編碼小肽的基因