线粒体DNA

粒線體DNA（英語：mitochondrial DNA，縮寫作mDNA或mtDNA）是真核細胞中一些位於粒線體內的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粒線體的蛋白質，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) 經抗DNA免疫金標定後的細胞質切片；標示粒線體DNA（mtDNA）的金粒子可見於粒線體膜附近。 (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；粒線體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個粒線體，而每一個粒線體內，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

動物體內的粒線體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則存在著重組現象，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。

粒線體DNA起源

主条目：共生體學說

真核細胞的細胞核DNA和粒線體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，而粒線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胞器，建立共生關係，此理論稱為內共生理論。也因此粒線體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，粒線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]。

關於粒線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「粒線體衍生胞器」^[4]，這表明基因的完全喪失是可能的，並且將粒線體基因轉移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粒線體，因此部分基因保留於mtDNA中^[6]； 另一種稱為CoRR假說（英语：colocalisation for redox regulation）的理論則認為，保留基因有助於在局部控制粒線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粒線體基因保留中發揮作用^[3]。

粒線體遺傳

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，粒線體只會遺傳自母親，以哺乳類而言，一般在受精之後，卵子細胞就會將精子中的粒線體摧毀^[8]。1999年發表的研究中顯示，父系精子粒線體（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粒線體的過程。

由於母系遺傳的特性，使得研究者能夠藉由粒線體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）。人類的粒線體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（特定人士或資料庫中的訊息）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粒線體夏娃概念，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粒線體^[10]。此外，也有研究發現某些昆蟲，如果蠅^[11]與蜜蜂^[12]，也有父系粒線體遺傳的現象。

少量的例證顯示雄性粒線體遺傳也存在於某些哺乳類。曾有人發表老鼠的父系粒線體遺傳^[13][14]，但隨後又遭否定。此外，已知具父系粒線體遺傳的還有綿羊^[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，整個粒線體中可能只有一個粒線體DNA是遺傳自父親^[18]。

遺傳疾病

粒線體DNA的突變可造成許多的疾病，如運動障礙（exercise intolerance）或凱塞症候群（Kearns-Sayre syndrome，KSS），一種可使患者心臟、眼睛與肌肉完全失去运动功能的疾病。

遺傳密碼

粒線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动物的粒線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	所属的生物
UGA	中止編碼	色氨酸編碼	人、牛、酵母线粒体，支原体(Mycoplasma)核基因组，如Capricolum
AGG	精氨酸編碼	中止編碼	大部分动物线粒体，脊椎动物线粒体
AGA	精氨酸編碼	丝氨酸編碼	果蝇线粒体
AUA	異亮氨酸編碼	蛋氨酸編碼	一些动物和酵母线粒体
AAA	赖氨酸編碼	天冬氨酸編碼	一些动物的线粒体，果蝇线粒体
CUN	亮氨酸編碼	苏氨酸編碼	酵母线粒体

基因组

以人类线粒体为例，其所有37个基因皆位於单一的环状双链DNA分子，包含個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]。

粒線體基因有一些特殊的性質，首先，其不受核膜所包被，由粒線體的內膜及外膜包覆^[23]。此外，人類粒線體DNA的編碼高度緊湊，幾乎不含内含子，甚至存在重疊區，同一段序列可分屬兩種基因的編碼框^[24]。但某些物種的粒線體則可能具有內含子^[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[註 1]	线粒体核糖体小亚基 (12S)	00,648–01,601	重链（H）
MT-RNR2	rRNA[註 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]。

參見

• 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
• 單一起源說
• 粒線體夏娃
• 叶绿体DNA
• 粒線體基因組

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