线粒体DNA复制与周转

线粒体DNA通过一套专门的线粒体酶持续地进行复制和降解，独立于细胞核细胞周期。这种宽松的、持续的复制和周转维持了细胞的mtDNA拷贝数，并解释了为什么即使在不分裂的细胞中，突变型和野生型基因组的比例也会随时间变化。

Definition

线粒体DNA复制与周转是指由线粒体复制和维持蛋白执行的、持续的、不依赖细胞周期的mtDNA复制和降解过程，它维持并调节每个细胞中mtDNA分子的数量。

Scope

本主题涵盖线粒体基因组如何复制和维持：作为复制起点和启动子位点的控制区，核心复制机制（mtDNA聚合酶、解旋酶和单链结合蛋白），与细胞周期解耦的宽松复制概念，以及调节拷贝数的持续周转。它不涵盖基因组的基因内容（一个姊妹结构主题）或复制错误作为疾病的后果（一个突变主题），除非是顺带提及。

Core questions

• 线粒体DNA是如何复制的，复制和转录从何处开始？
• 哪些蛋白质构成了线粒体复制机制？
• “宽松复制”意味着什么，它与核DNA复制有何不同？
• mtDNA拷贝数如何通过持续周转来维持？
• 为什么不依赖细胞周期的复制允许异质性随时间变化？

Key concepts

• 控制区（D-环）起点和启动子
• 宽松复制，与细胞周期解耦
• 线粒体DNA聚合酶γ (POLG)
• TWINKLE解旋酶和线粒体单链结合蛋白
• 持续合成和降解（周转）
• mtDNA拷贝数调节
• 基因组的复制性分离

Mechanisms

动物mtDNA的复制始于非编码控制区，并由一套小型专用机制而非核复制装置驱动：线粒体DNA聚合酶γ合成新链，解旋酶（TWINKLE）解开模板，单链结合蛋白稳定暴露的单链，转录提供引物（Clayton, 1982; Gustafsson及其同事, 2016）。完整的人类序列（Anderson及其同事, 1981）定位了控制区及其调控元件。至关重要的是，mtDNA复制是“宽松的”，它在整个细胞周期中进行，甚至在不分裂的、有丝分裂后的细胞中也持续进行，这与在S期复制一次的核DNA形成对比。分子不断合成和降解，这种周转将拷贝数维持在受调节的范围内。由于单个分子在没有细胞周期严格管理的情况下进行复制和分配，变异型和野生型基因组的相对比例可能会漂移，从而使异质性随时间变化。

Clinical relevance

复制和维持mtDNA的蛋白质本身由细胞核编码，这些机制中的缺陷可能会损害线粒体基因组的完整性或数量，从而将核遗传学与线粒体功能联系起来。理解宽松复制和周转也解释了突变基因组比例如何在个体一生中在组织中发生变化。本条目是关于基因组维持的教育背景知识，不提供临床或治疗指导。

History

动物mtDNA复制的机制主要通过David Clayton及其同事自20世纪70年代以来的工作得以阐明，他们绘制了控制区起点图并描述了从置换环开始的复制，这些工作总结在他1982年的综述中。1981年完整的人类序列将这些调控元件定位在图谱上。后来的分子工作确定了核心维持蛋白，聚合酶γ、TWINKLE解旋酶和线粒体单链结合蛋白，并完善了拷贝数和周转的调节方式，这些都综合在现代综述中。

Key figures

• David A. Clayton
• Nils-Göran Larsson
• Maria Falkenberg
• Claes M. Gustafsson

Seminal works

• clayton-1982
• anderson-1981

Frequently asked questions

线粒体DNA只在细胞分裂时复制吗？

不是。与核DNA不同，mtDNA持续且独立于细胞周期进行复制，因此即使在神经元和肌纤维等不分裂的细胞中，它也会被复制和降解。

哪种酶复制线粒体DNA？

专门的线粒体DNA聚合酶γ合成新的mtDNA链，它与解旋酶（解开模板）和单链结合蛋白协同作用，所有这些都由核基因编码并导入线粒体中。