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1、人类线粒体DNA复制机制杨金才201100300306线粒体DNA(mtDNA)复制机制的研究还处在初始阶段。多年来，人们认为相对于核DNA来说，mtDNA复制是一个很简单的过程，哺乳动物的线粒体内没有修复系统（实际上有修复系统），mtDNA也没有重组（人类中未发现，植物的mtDNA有重组），仅有1种DNA聚合酶，polymeraseγ。Polgγ通过一种叫做D环复制的方式复制mtDNA，即“先导”链先复制2/3，“后随”链才开始复制，也叫链替换模型（strand-displacementmodel）。后随
2、链与RNA结合以保护单链。随着研究的深入，在哺乳动物中还存在着链结合单向复制和链结合双向复制2种模型。这说明mtDNA的复制机制相当复杂，这与线粒体内的“恶劣”环境有着密切的联系。1、人类线粒体DNA线粒体有自己的基因组(mtDNA)，双链环状DNA，两条链分别称为重链和轻链。所谓的重链、轻链是由链中G含量决定的，重链中G含量较高。两条链分别编码不同的基因，两条链上都有各自的复制起始点和转录启动子，双链结构中有一个特殊区域称为D-loop结构，不编码基因，是复制起始点和转录启动子所在。mtDNA编码的基因大
3、部分都没有内含子，整个基因组中的非编码部分为转录和复制控制区域。mtDNA不能编码供应线粒体生物功能的所有基因，主要通过自身转录合成呼吸链复合物中的几个蛋白及rRNA、tRNA，而呼吸链复合物中的其他蛋白和DNA聚合酶，RNA聚合酶及转录辅助因子都是由核基因编码，在细胞质中翻译后转运到线粒体中发挥作用的。关于线粒体基因组的数目，每个线粒体有多个基因组拷贝，线粒体基因组的数目因物种和组织种类而异，而一项关于小鼠着床前期胚胎中线粒体基因组DNA数目的研究表明，在体外培养的的受精卵从单细胞的胚胎发育到胚泡期的过程
4、中细胞中的总mtDNA量是保持不变的。线粒体DNA在核基因编码的DNA聚合酶的作用下以D环方式进行复制，这种DNA聚合酶是线粒体特异的。线粒体的复制期主要在细胞周期的S期和G2期，与细胞周期同步。线粒体使用核基因的通用密码，但也有较多的稀有密码子。-6-线粒体的蛋白合成基本上属于原核生物类型，具有原核生物蛋白合成的特点。如，RNA的转录和翻译是在同一时间和地点进行、蛋白质合成的起始tRNA与原核生物的相同、蛋白质合成对药物的敏感性与细菌一样。人类的mtDNA约16，600bp，如图1所示，编码呼吸链中约90
5、个功能蛋白的13个，这13个蛋白在氧化磷酸化合成ATP过程中都起着关键性的作用，另外还编码2个核糖体RNA，及22个转运RNA，线粒体中的密码子编码不同于细胞核基因。图1.人类线粒体基因组线粒体DNA编码13个呼吸链功能蛋白，2个核糖体RNA。非编码区是链替换模型的的起始区，OH，Ori-b和Ol是复制起始位点。而链结合模型几乎可以在线粒体DNA的任意位置发生，邻近非编码区的几千kb(Ori-z，红色区域)是其主要起始区。2、人类线粒体DNA的复制2.1线粒体DNA复制同细胞核DNA复制一样,mtDNA复制
6、也是以半保留方式进行的.但是,mtDNA复制具有其自身特点:a)mtDNA复制在不同生物类群中存在多种复制方式,普遍以D环复制为主,少数也有θ型复制以及滚环复制，如图2;-6-b)mtDNA复制过程中涉及到的相关酶和调控因子都是由核基因编码,受到自身基因组与核基因组的双重调控;图2.线粒体DNA复制方式。依次为θ型复制、滚环复制和D环复制。以D环复制为主。人类mtDNA复制模型目前,有关mtDNA复制的研究多以酵母和哺乳类(或其它脊椎动物)为研究对象.人类作为哺乳动物，其复制方式与其他哺乳动物是相似的。主要
7、有3种模型，经典的是D环复制，另外两种是链结合模型（strand-coupledmodel），和RITOLS（RNAintermediateslaidonthemtDNAlagging-strand ）模型。2.1D环复制模型如图2所示，人类mtDNA的D环复制过程大致可以分为以下4个阶段:(1)H链的首先合成:在H链复制起始点以L链为模板,首先合成一从轻链启动子(LSP)转录而来的RNA引物,然后由DNA聚合酶γ催化合成一个500～600bp长的H链片段,该片段与L链以氢键结合,将亲代的H链置换出来,产生
8、一种D环复制中间物.(2)-6-H链片段的延伸:在各种酶复制相关酶和因子的作用下,复制叉沿着H链合成的方向移动，新生成的短的H链片段继续合成.(3)L链合成的开始:随着原来的H链被取代,D环越来越大,当D环膨胀到环形mtDNA约2/3位置时,即暴露出L链复制的起始位点,单链DNA吸引mtDNA引物酶合成第2个引物,并以原来的H链为模板开始L链DNA的复制.(4)复制的完成:H链合成首先完成,L链的合成随后结束,R
