线粒体DNA结构与组织

人类线粒体DNA是一个小型、双链环状分子，约有16,569个碱基对，编码一套紧凑的、对氧化磷酸化至关重要的基因。其致密、几乎无内含子的组织结构、两条组成不同的链以及一个短的非编码控制区，使其与大得多的核基因组截然不同。

Definition

线粒体DNA（mtDNA）是线粒体中存在的环状、双链、多拷贝基因组；在人类中，它约长16.6千碱基，编码13个呼吸链多肽、22个转运RNA和2个核糖体RNA，并带有一个主要的非编码控制区。

Scope

本主题描述了哺乳动物线粒体基因组的物理形态、基因内容和组织特征，借鉴了1981年确定的人类完整序列。它涵盖了重链和轻链、37个基因（13个蛋白质编码基因、22个tRNA基因、2个rRNA基因）、控制区（D-环）以及基因组的经济、重叠排列。它不涉及复制机制或遗传，这些内容在相关主题中讨论。

Core questions

• 人类线粒体基因组的大小和物理形态是什么？
• mtDNA编码哪些基因，哪些线粒体蛋白质是由核基因编码的？
• 重链与轻链有何区别？
• 控制区（D-环）是什么，它包含什么？
• mtDNA的遗传经济性与核基因组有何不同？

Key concepts

• 环状双链基因组（约16.6 kb）
• 重链（H）和轻链（L）
• 37个基因：13个蛋白质编码基因，22个tRNA基因，2个rRNA基因
• 非编码控制区/置换环（D-环）
• 紧凑、几乎无内含子的组织结构，基因重叠
• 变异的线粒体遗传密码
• 修订的剑桥参考序列（rCRS）

Mechanisms

mtDNA的两条链在碱基组成上有所不同：富含鸟嘌呤的重链和富含胞嘧啶的轻链，这一特性在历史上曾被用于分离它们，并反映在它们不同的基因组成中。1981年完整的人类序列（Anderson及其同事）表明，几乎整个基因组都是编码区，基因相邻或略有重叠，内含子很少或没有，有些读码框共享核苷酸；唯一重要的非编码区是控制区，它包含控制复制和转录的起始点和启动子。该基因组编码氧化磷酸化复合物的13个亚基，以及在细胞器内翻译它们所需的22个tRNA和2个rRNA，而其余约1,500种线粒体蛋白质则在细胞核中编码并导入。平行的鼠序列（Bibb及其同事，1981年）证实了这种经济的组织结构是哺乳动物的普遍特征。

Clinical relevance

mtDNA的紧凑组织意味着即使是小的序列变化也可能扰乱对能量代谢至关重要的基因，而变异在编码区、tRNA区或控制区的位置有助于解释临床遗传学中描述的生化后果。本条目描述基因组结构是为了教育目的，不作为个体基因解释或护理的基础。

History

mtDNA的结构是在1981年Anderson及其同事发表人类线粒体基因组完整序列时确定的，这是最早被测序的完整基因组之一；这项工作确立了基因目录、链不对称性和变异的遗传密码。同时期的鼠序列证实了哺乳动物的这种组织结构。该参考序列后来经过修正，现在被用作修订的剑桥参考序列，人类变异以此为基准进行报告。

Key figures

• Frederick Sanger
• Sjef Anderson
• David A. Clayton
• Bart G. Barrell

Seminal works

• anderson-1981
• bibb-1981

Frequently asked questions

人类线粒体基因组有多大，它携带多少个基因？

它是一个约16,569个碱基对的环状分子，编码37个基因：13个编码呼吸链蛋白质，22个转运RNA，以及2个核糖体RNA。

所有线粒体蛋白质都由mtDNA编码吗？

不。只有13个多肽由mtDNA编码；绝大多数线粒体蛋白质由核基因编码，在细胞质中合成，并导入细胞器。