線粒體DNA在分子進(jìn)化研究中的應(yīng)用

陳 星，沈永義，張亞平,

(1. 云南大學(xué) 生物資源保護(hù)與利用實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明; 2. 中國(guó)科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所 遺傳資源與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明)

生物進(jìn)化論的核心包括適應(yīng)進(jìn)化機(jī)制(adaptive evolution)和選擇作用(selection)。其中適應(yīng)性進(jìn)化指生物在分支發(fā)展過(guò)程中, 局部結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生變化以適應(yīng)特殊環(huán)境。在 1859年《物種起源》發(fā)表后的 100多年里, 自然選擇學(xué)說(shuō)不斷發(fā)展完善, 基本上成為了進(jìn)化論的主流。物種突變選擇可分為正選擇和負(fù)選擇(即純凈化選擇)(purifying selection)。正選擇(positive selection), 也稱達(dá)爾文選擇, 即當(dāng)群體中出現(xiàn)能夠提高個(gè)體生存力及繁衍力的突變時(shí),具有該基因型的個(gè)體較其它個(gè)體將更可能存活并遺留更多子代, 導(dǎo)致突變基因型最終得以在整個(gè)群體中擴(kuò)散和固定?；蛩降倪m應(yīng)性進(jìn)化的一種重要方式即為基因通過(guò)正選擇得到積累并保持有利突變, 改變蛋白結(jié)構(gòu)和功能, 進(jìn)而適應(yīng)外界變化(Shen, 2010)。線粒體DNA由于其具有進(jìn)化速度快、母系遺傳及易擴(kuò)增等優(yōu)點(diǎn), 已成為分子進(jìn)化研究中的好材料, 被許多研究所采用(Hebert et al, 2003;Schindel & Miller, 2005)。

1 線粒體DNA的基因組成

線粒體是存在于絕大多數(shù)真核細(xì)胞內(nèi)的一種基本而重要的細(xì)胞器, 它通過(guò)氧化磷酸化為真核細(xì)胞提供＞95%的能量, 且擁有自身的遺傳物質(zhì)和遺傳體系, 但由于基因組大小有限, 線粒體是一種半自主性的細(xì)胞器。不同生物線粒體的大小、數(shù)量及外觀等均不同(Coleman et al, 1991; Nosek et al, 1998;Unseld et al, 1997)。線粒體DNA (mtDNA)編碼呼吸鏈中氧化磷酸化所需的13種蛋白、22種tRNA和2種rRNA(16S和12S)(Gray et al, 1999)。其中, 與呼吸鏈有關(guān)的為復(fù)合物I (NADH：泛醌, 氧化還原酶,nad基因編碼)、復(fù)合物II (琥珀酸氧化還原酶, sdh基因編碼)、復(fù)合物III (泛醌：細(xì)胞色素C還原酶; cob基因編碼)、復(fù)合物IV (細(xì)胞色素C氧化酶; cox基因編碼)及復(fù)合物V (ATP合成酶, atp基因編碼)。線粒體中的蛋白質(zhì)翻譯主要依靠其內(nèi)部的 mRNA來(lái)完成, 通常, 5s rRNA含量非常稀少, 除了mtDNA自身編碼的一些重要功能蛋白之外, 核基因(nDNA)也會(huì)編碼一些特異蛋白并轉(zhuǎn)運(yùn)至線粒體, 比如一些小RNA(small RNA)及轉(zhuǎn)運(yùn)RNA(tRNA)。因此, 線粒體正常功能的行使還與核基因組有關(guān) (Tzagoloff& Myers, 1986)。

雖然普遍認(rèn)為 mtDNA是保守的 (Feagin et al,1988), 但是該基因組在不同生物中的基因數(shù)目、重排和表達(dá)在結(jié)構(gòu)和大小上均呈現(xiàn)顯著變化(Cummings, 1992)。例如, 多數(shù) mtDNA 為環(huán)狀(Oldenburg & Bendich, 1998), 但也有物種具線性mtDNA (Kayal et al, 2012)。線粒體基因組的大小從＜6 kb(惡性瘧原蟲)到＞200 kb (陸生植物)不等, 而擬南芥mtDNA是目前所測(cè)的最大的線粒體基因組(Allen, 2003), 為366 924 bp, 距離它較近的普氏立克次氏體真菌的線粒體基因組僅為其大小的 1/3(Andersson et al, 1998)。這種基因組大小的差異主要存在于非編碼區(qū), 擬南芥中有＞80%的非編碼區(qū), 立克次氏體中僅有24%, 而大多數(shù)原生生物的線粒體基因組則含有＜10%的非編碼序列 (Gray, 1998)。

mtDNA的全測(cè)序分析顯示基因種類變化的相似性 (Paquin et al, 1997)。頂覆蟲(變形蟲) mtDNA為5 966 bp, 僅編碼包括16S rRNA和12S rRNA三個(gè)蛋白, 無(wú) 5S rRNA或者 tRNA的基因; 人類mtDNA(16 569 bp)無(wú)5S rRNA的基因, 但含有13個(gè)與呼吸鏈有關(guān)的蛋白和用于轉(zhuǎn)運(yùn)的最小量tRNA;擬南芥 mtDNA是人類 mtDNA的22倍, 含有5S rRNA的基因, 但所編碼的蛋白僅為人類線粒體的2.5倍 (32:13), 事實(shí)上, 擬南芥中的兩個(gè) tRNA 基因在進(jìn)化過(guò)程中混雜了葉綠體的基因組, 因此, 其線粒體基因組含有1% 的葉綠體基因組 (Unseld et al, 1997)。

2 線粒體的“內(nèi)共生”起源及其進(jìn)化

線粒體“內(nèi)共生”起源學(xué)說(shuō)的提出始于 19世紀(jì), 之后隨著分子生物學(xué)手段的進(jìn)步, Margulis(1970)又對(duì)其進(jìn)行了進(jìn)一步闡述?！皟?nèi)共生”學(xué)說(shuō)主要是指線粒體是一個(gè)早期共生于一個(gè)只含有細(xì)胞核的寄主細(xì)胞內(nèi)的真細(xì)菌的直系后代 (Andersson et al, 1998; Lang et al, 1999; Gray et al, 1989; Gray&Doolittle, 1982)。應(yīng)用rRNA序列進(jìn)行的系統(tǒng)發(fā)育重建和線粒體全基因組掃描進(jìn)一步支持了這一假說(shuō)(Bonen et al, 1977; Yang et al, 1985)。縱觀這十年的研究發(fā)現(xiàn), 線粒體基因組即為細(xì)菌基因組的一種形式?；蚪M測(cè)序的數(shù)據(jù)強(qiáng)有力地支持線粒體起源于α-變形菌門的一個(gè)亞群, 且為單系起源 (Andersson& Kurland, 1990)。在過(guò)去的幾年里, 大多數(shù)類似細(xì)菌 (原生動(dòng)物異養(yǎng)鞭毛蟲)的線粒體基因組全測(cè)序完成和大多數(shù)似線粒體的真細(xì)菌 (普氏立克次氏體)基因組測(cè)序的完成, 成為目前劃分線粒體與其近緣真細(xì)菌之間界限的標(biāo)志 (Andersson et al, 1998)。

在線粒體進(jìn)化過(guò)程中, 其大小、編碼和非編碼基因的比例以及基因順序的保守性等均呈現(xiàn)不同的進(jìn)化方向。植物 mtDNA出現(xiàn)擴(kuò)張, 而動(dòng)物mtDNA卻減少(Fraser et al, 1995, 1997, 1998;Himmelreich et al, 1996; Rivera et al, 1998), 尤其是在氨基酸合成、核苷酸合成、無(wú)氧糖酵解及其調(diào)控方面均出現(xiàn)大量缺失。通過(guò)比較普氏立克次氏體和異養(yǎng)鞭毛蟲的線粒體基因組可見(jiàn), 在普氏立克次氏體中缺失的主要是一些生物合成的輔因子, 如脂肪酸和磷脂代謝的輔因子以及細(xì)胞膜合成及細(xì)胞分裂的輔因子等 (Rivera et al, 1998), 而這些“消失”的遺傳信息很大程度上固定在細(xì)胞核中, 并由細(xì)胞核進(jìn)行表達(dá)和調(diào)控 (Covello & Gray, 1992)。

3 線粒體在分子進(jìn)化研究中的應(yīng)用

與核基因組相比較, 線粒體基因組具有其獨(dú)特的遺傳特性, 如母系遺傳、缺乏重組及進(jìn)化速率快等。中性學(xué)說(shuō)和“分子鐘”理論的提出奠定了進(jìn)化生物學(xué)中“中性進(jìn)化”理論的基礎(chǔ) (Kimura, 1968)。很多恒溫動(dòng)物系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系的構(gòu)建均基于此假說(shuō),且利用“標(biāo)準(zhǔn)的線粒體時(shí)鐘”來(lái)完成 (Klicka & Zink 1997; Aleixo, 2004)。同時(shí), 動(dòng)物的能量代謝絕大部分發(fā)生在線粒體, 生物運(yùn)動(dòng)能力的進(jìn)化與線粒體的進(jìn)化密切相關(guān)。利用線粒體基因組的比較從能量代謝的角度研究生物進(jìn)化是一種有效的手段 (Shen,2010)。另外, mtDNA 的突變會(huì)導(dǎo)致某些蛋白功能的改變, 從而影響生物的適應(yīng)能力, 利用生物信息學(xué)手段從分子角度研究mtDNA的突變將為后續(xù)的一些與線粒體相關(guān)的疾病研究提供基礎(chǔ)材料(Wallace, 2010)。

3.1 mtDNA用于重建物種的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系和分歧

時(shí)間估算

在以核苷酸或氨基酸替代率大致恒定的前提下, 通過(guò)觀察相關(guān)物種的核苷酸或氨基酸替代率來(lái)確定遺傳事件的發(fā)生, 稱為分子鐘假說(shuō)(Zuckerkandl & Pauling, 1965)。目前, 利用分子鐘來(lái)估計(jì)物種的分歧時(shí)間以及重建生物進(jìn)化的時(shí)間尺度被廣泛應(yīng)用。把基因積累比作時(shí)鐘記錄下發(fā)生在不同時(shí)間的遺傳事件的方法, 為我們解決一些遺傳學(xué)問(wèn)題提供了新思路。基因時(shí)鐘有時(shí)也會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)變化, 且各個(gè)事件改變的速率不同, 因此用系統(tǒng)發(fā)育學(xué)來(lái)解釋物種的分歧、擴(kuò)張、遷徙以及新物種形成的時(shí)間顯得尤為重要（Avise, 2000)。利用mtDNA來(lái)重建系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系, 特別那些基于 mtDNA全基因組重建的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系, 在解決物種起源和分歧問(wèn)題上已經(jīng)提供了較好的遺傳學(xué)證據(jù)（Torroni et al,2006; Underhill & Kivisild, 2007; Pereira et al,2009)。在很多恒溫動(dòng)物的系統(tǒng)發(fā)育研究中可利用“標(biāo)準(zhǔn)線粒體時(shí)鐘”作為校對(duì), 即在每百萬(wàn)年里每一個(gè)物種的每一個(gè)位點(diǎn)的分子進(jìn)化替換率為 0.01(Klicka & Zink, 1997; Aleixo, 2004)。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的尺度最早是通過(guò)研究人類和黑猩猩mtDNA限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性(RFLP)獲得的, 并在后續(xù)研究鵝的兩個(gè)屬中得到證實(shí) (Shields & Wilson, 1987)。在一棵進(jìn)化樹(shù)中, 某一枝的新產(chǎn)生都是由進(jìn)化過(guò)程中不斷積累的突變導(dǎo)致 (Brown et al, 1979; Wilson et al,1979; Shields & Wilson, 1987; Wilson et al, 1985)。值得注意的是, 所謂“新突變的積累”是指DNA在復(fù)制或減數(shù)分裂過(guò)程中出錯(cuò), 且錯(cuò)誤在修復(fù)時(shí)未得以修正(通常應(yīng)用于家系研究); 在種群中, 通常研究的是 DNA多態(tài)性, 并且在物種內(nèi)研究這種多態(tài)性固定下來(lái)的概率(McDonald et al, 2006)。

基于上述原理, Ting (2008)通過(guò)對(duì) mtDNA上4000 bp片段進(jìn)行測(cè)序, 利用最大似然法和貝葉斯方法重建了現(xiàn)代疣猴之間的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系, 包括黑白相間、橄欖色和紅色的疣猴類群。建立的基因樹(shù)與之前基于形態(tài)學(xué)和化石研究的物種樹(shù)大致一樣。并且提示黑白相間、橄欖色和紅色疣猴在第三紀(jì)中新世晚期依次分歧, 到上新世形成物種, 證明了疣猴多樣性的出現(xiàn)比我們預(yù)期的要早, 且估計(jì)該多樣性是由疣猴的適應(yīng)輻射所致。隨后, Meyer et al(2011)又利用1.8 kb線粒體基因來(lái)重建葉猴屬內(nèi)的系統(tǒng)發(fā)育。其中包括了細(xì)胞色素 b (ctyb)、D-Loop和 tRNA 的中間體, 從分歧時(shí)間看, 葉猴屬進(jìn)化過(guò)程中至少經(jīng)過(guò)兩次適應(yīng)輻射事件, 這個(gè)結(jié)果也支持最近一次對(duì)于葉猴屬分類關(guān)系的修改 (Meijaard &Groves, 2004)。隨著測(cè)序技術(shù)的不斷進(jìn)步, 人們?cè)谥亟ㄏ到y(tǒng)發(fā)育關(guān)系時(shí), 不僅采用mtDNA, 也采用核基因(nDNA)來(lái)共同構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)。Wang et al(2012)利用mtDNA全基因組和44個(gè)非編碼核序列來(lái)重現(xiàn)疣猴之間的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系。在分別用mtDNA和核序列來(lái)建系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)時(shí), 長(zhǎng)葉猴屬在進(jìn)化樹(shù)上的位置有所不同, 但是在用 mtDNA和核序列共同分析時(shí), 則可以排除之前亞洲葉猴之間的并系關(guān)系,并很好的支持亞洲和非洲葉猴的單系起源假說(shuō)。除了在靈長(zhǎng)目中應(yīng)用mtDNA重建系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系之外,很多通過(guò)形態(tài)學(xué)或化石證據(jù)很難鑒定其進(jìn)化地位的種屬也可以利用分子學(xué)手段, 通過(guò)生物信息學(xué)分析, 為形態(tài)學(xué)方面的缺失提供互補(bǔ)的證據(jù), 而mtDNA即為分子進(jìn)化分析的一個(gè)良好材料。

由于 mtDNA 既有自身編碼的基因, 又受到核基因調(diào)控, 同時(shí)利用mtDNA與nDNA來(lái)構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)將為解決物種分歧時(shí)間提供更有力的支持。但是在這個(gè)過(guò)程中, 由于不同物種 mtDNA的進(jìn)化速率不同, 選擇合適的基因作為遺傳標(biāo)記將成為利用mtDNA分子鐘重建系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)的一個(gè)挑戰(zhàn)。

3.2 mtDNA的適應(yīng)性進(jìn)化

適應(yīng)(adaptation)是生物進(jìn)化的核心, 一般認(rèn)為是生物為了在生存斗爭(zhēng)中更好地適應(yīng)其所在環(huán)境而形成一定性狀的現(xiàn)象 (Li, 2005)。物種進(jìn)化的過(guò)程中, 適應(yīng)性表型不僅體現(xiàn)在生理或形態(tài)上的變化(如鯨魚為了適應(yīng)海洋環(huán)境, 身體呈流線型、四肢退化及皮下脂肪層增厚等), 且其最終目的是將遺傳信息更有效地傳遞下去并擴(kuò)散甚至固定。自然選擇對(duì)新生變異的作用方式一般包括純凈化選擇和正選擇 (Shen, 2010)。前者用于淘汰進(jìn)化中的有害變異, 趨于維持物種穩(wěn)定, 后者則負(fù)責(zé)促進(jìn)有利變異的擴(kuò)散甚至固定, 與物種的適應(yīng)性進(jìn)化及物種形成相關(guān)(Swanson & Vacquier, 2002)。相對(duì)于負(fù)選擇和中性進(jìn)化, 人們更關(guān)心的是正選擇事件, 因?yàn)榇祟惢蛲N(yùn)含有適應(yīng)性進(jìn)化, 在功能上產(chǎn)生革新。迄今已發(fā)現(xiàn)很多受正選擇作用的基因, 例如：ASPM(abnormal spindle-like microcephaly associated)基因被認(rèn)為是大腦容量大小的決定性因子, 無(wú)義突變會(huì)導(dǎo)致小腦癥的發(fā)生(Bond et al, 2002), 該基因在人類進(jìn)化支系以及人群中都受到正選擇 (Evans et al,2004; Kouprina et al, 2004; Mekel-Bobrov et al, 2005;Zhang, 2003)。從分子水平尋找自然選擇的靶位點(diǎn)已成為目前探討適應(yīng)性進(jìn)化分子機(jī)制的常用策略(Andolfatto, 2005)。

基于其在能量代謝上的重要性, mtDNA在各個(gè)現(xiàn)存物種中均受到強(qiáng)烈的純凈化選擇壓力以去除有害突變(Rand, 2001; Meiklejohn et al, 2007)。然而由于各物種對(duì)能量代謝的要求不同, 有些種類(比如能飛翔的鳥(niǎo), 和跑得快的動(dòng)物)需要更多的能量,那么它們的線粒體是不是也受到更大的選擇壓力？Shen et al (2009)通過(guò)比較飛行能力強(qiáng)及退化鳥(niǎo)類的 mtDNA后發(fā)現(xiàn), 異義突變(Ka/Ks)值與飛行能力呈負(fù)相關(guān), 即飛行能力弱的鳥(niǎo)類的 Ka/Ks值較高。這說(shuō)明飛行能力弱的鳥(niǎo)類的mtDNA發(fā)生異義突變(有害突變)雖然也能影響其產(chǎn)生能量的效率,但是由于其能量需求低, 有害突變對(duì)其個(gè)體生存的影響相對(duì)較小, 因此, 自然選擇對(duì)此類有害突變的純凈化選擇壓力也相應(yīng)較弱。而對(duì)于飛行能力強(qiáng)的鳥(niǎo)類, 由于其能耗需求高, 個(gè)體 mtDNA的有害突變則很容易影響個(gè)體的能量需求, 進(jìn)而影響其存活,因此, 自然選擇對(duì)此類有害突變表現(xiàn)高壓力純凈化選擇。在哺乳動(dòng)物中也可見(jiàn)類似的規(guī)律, 即 Ka/Ks比值與奔跑速度(運(yùn)動(dòng)能力)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。該結(jié)果說(shuō)明mtDNA的有害突變對(duì)需要高能耗物種的不利影響相對(duì)更大, 從而使得 mtDNA發(fā)生有害突變的個(gè)體受到更強(qiáng)烈的純凈化選擇壓力, 更容易被淘汰(Shen et al, 2009)。Bj?rnerfeldt et al (2006)發(fā)現(xiàn)隨著人類對(duì)狗的馴化, 家犬 mtDNA 相比較其祖先灰狼而言, 所受到的選擇壓力有所放松, 積累了較多的非同義突變, 相對(duì)野生灰狼, 馴化家犬有充足的食物, 在能量代謝上受到的壓力較小, 同時(shí)較多的突變也為人工選擇各種表型提供了更多的可選擇性。

以上例子均僅考慮由線粒體編碼的能量代謝相關(guān)基因在適應(yīng)性進(jìn)化過(guò)程中所受的選擇壓力。由于在能量代謝過(guò)程中, 氧化磷酸化(OXPHOS)不僅有mtDNA的參與, 還受到近百個(gè)核基因(具體數(shù)字,不同物種有差異)的協(xié)調(diào) (Pagliarini et al, 2008), 在探索生物能量代謝過(guò)程中, 應(yīng)該同時(shí)考慮兩者在能量代謝過(guò)程中的協(xié)同作用。隨著運(yùn)動(dòng)方式的劇變,比如不能飛行的原始哺乳動(dòng)物進(jìn)化為蝙蝠的過(guò)程中, 蝙蝠飛行的能量代謝率是相似體型陸生哺乳動(dòng)物的 3～5倍(Thomas & Suthers, 1972; Maina,2000)。為了探索蝙蝠如何滿足飛行起源過(guò)程中能耗的急劇提升, Shen et al(2010)同時(shí)檢測(cè)了線粒體和核基因基因組, 發(fā)現(xiàn)其中 23.8%的 mtDNA和4.90% 的 nDNA共同編碼的氧化磷酸化相關(guān)基因受到正選擇。而由nDNA編碼作用于線粒體但并不參與氧化磷酸化的基因或其它nDNA受到正選擇的比例則相對(duì)較小。該結(jié)果提示相比較其他背景基因,能量代謝相關(guān)基因 (包括線粒體編碼和核基因編碼基因)在蝙蝠飛行適應(yīng)性進(jìn)化過(guò)程中起重要作用。

這一系列的研究揭示線粒體由于提供動(dòng)物運(yùn)動(dòng)所需的絕大部分能量, 與動(dòng)物運(yùn)動(dòng)進(jìn)化密切相關(guān)。然而線粒體除了提供動(dòng)物運(yùn)動(dòng)所需的自由能之外, 還提供保持體溫的熱能。而不同緯度的生物,由于所處環(huán)境的溫度不同, 對(duì)維持體溫?zé)崮艿男枨笠膊煌?。那么不同溫?緯度)環(huán)境下的物種, 其線粒體的選擇壓力是否也不同？Eduardo et al (2004)的研究發(fā)現(xiàn)mtDNA影響著人類在地球上不同緯度的分布。而Sun et al(2011)也證明不同溫度環(huán)境的魚,其線粒體所編碼的能量代謝基因受到的選擇壓力也不同。這些結(jié)果均說(shuō)明線粒體的進(jìn)化與物種所需求的維持體溫的熱能相關(guān)。

從mtDNA角度分析生物適應(yīng)運(yùn)動(dòng)能力的進(jìn)化,以及適應(yīng)環(huán)境溫度變化的遺傳機(jī)制, 可為能量相關(guān)研究提供分子生物學(xué)方面的證據(jù)。盡管某些位點(diǎn)的改變?nèi)孕枰ㄟ^(guò)蛋白功能實(shí)驗(yàn)才能確定, 在基因水平上檢測(cè)所受到的選擇壓力仍然具有快捷、直觀的特點(diǎn), 可以直接觀察到基因組水平的變異位點(diǎn)。因此, 利用基因水平研究為向?qū)? 從宏觀角度去驗(yàn)證基因與功能的關(guān)系將會(huì)是分子進(jìn)化研究的新角度。而同時(shí)考慮線粒體和核基因編碼的能量代謝基因,將為我們了解能量代謝在生物體內(nèi)的適應(yīng)性進(jìn)化提供更為全面的證據(jù)。

3.3 mtDNA 密碼子重定義對(duì)生物適應(yīng)性的作用

隨著對(duì)不同生物的不同細(xì)胞器的全基因組測(cè)序, 可以發(fā)現(xiàn)有充分的證據(jù)證實(shí)相同遺傳密碼子并不如我們以前所想的那樣在所有生物中均翻譯為相同的氨基酸。在mtDNA中有很多例子可以證明(尤其在一些相關(guān)物種間)同一密碼子在某物種內(nèi)編碼某種氨基酸, 而在另外一個(gè)物種內(nèi)卻編碼另外一個(gè)氨基酸, 從一個(gè)終止密碼子變成一個(gè)編碼氨基酸的密碼子或從一個(gè)可編碼的密碼子變成一個(gè)終止密碼子。如果這種情況發(fā)生在翻譯環(huán)節(jié), 那么這個(gè)改變了含義的密碼子就被稱為 “密碼子重定義”(codon reassignment)( Knight et al, 2001;Yokobori et al, 2001)。這種新定義的密碼子通常出現(xiàn)在之前機(jī)體比較偏好的舊的密碼子的位置, 通常認(rèn)為這種新定義的密碼子是有害的, 會(huì)隨著進(jìn)化過(guò)程中的自然選擇而被逐漸清除掉。突變貫穿于整個(gè)基因組, 當(dāng)突變發(fā)生時(shí), 機(jī)體會(huì)對(duì)新產(chǎn)生的密碼子進(jìn)行調(diào)適。目前關(guān)注的問(wèn)題即為在機(jī)體尚未調(diào)適新密碼子時(shí),這些略帶有害的新定義密碼子是如何在群體內(nèi)固定下來(lái)的。

已有很多機(jī)制用于解釋這種mtDNA新定義的密碼子, 主要有：(1) 密碼子消失機(jī)制(codon disappearance, CD), 最早由 Osawa & Jukes (1989)提出, 即在獲得新定義的密碼子之前, 之前處于相同位置的密碼子先消失, 然后再由新定義的密碼子重新編碼; (2) 模糊的中間物機(jī)制(ambiguous intermediate, AI) 最早由Schultz & Yarus (1994)提出,即舊的密碼子不會(huì)消失, 而是在新定義密碼子之前出現(xiàn)一個(gè)模棱兩可的中間狀態(tài), 而tRNA可以同時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)這兩種不同的氨基酸密碼子; (3) 未定義機(jī)制(unassigned codon, UC), 由Sengupta & Higgs(2005)提出, 即在新定義的密碼子未固定之前, 處于密碼子變化位置的密碼子不由任何tRNA翻譯; (4) 補(bǔ)償改變機(jī)制(compensatory change, CC), 由 Kimura(1985) 提出, 即新定義的密碼子單獨(dú)出現(xiàn)時(shí)有害,但和其他密碼子共同運(yùn)用時(shí)就變得近中性而利于固定。

以上的機(jī)制均基于“獲得—丟失”的框架, 獲得為tRNA改變自己的互補(bǔ)密碼子來(lái)適應(yīng)新的密碼子, 丟失則為tRNA從此停止轉(zhuǎn)運(yùn)之前的舊的密碼子。Bender et al (2008)對(duì)人類和其他動(dòng)物中不使用標(biāo)準(zhǔn)密碼子的 mtDNA 進(jìn)行研究, 發(fā)現(xiàn) AUA從在核基因內(nèi)編碼異亮氨酸變化為在mtDNA里重新編碼蛋氨酸。實(shí)驗(yàn)證實(shí), 在活細(xì)胞中蛋氨酸表面的抗氧化結(jié)構(gòu)可以為細(xì)胞提供良好的保護(hù), 從而延長(zhǎng)細(xì)胞壽命。這種在細(xì)胞呼吸鏈中蛋氨酸的重新定義,在進(jìn)化過(guò)程中是一種適應(yīng)性選擇, 在氧化磨損的選擇壓力下, 重新定義氨基酸從而形成自身的保護(hù)機(jī)制。除了AUA之外, 還有AAA在半索動(dòng)物中編碼賴氨酸, 而在棘皮動(dòng)物中則編碼天冬氨酸, 從而更利于棘皮動(dòng)物的生存（Castresana et al, 1998)。

進(jìn)化過(guò)程中, 生活環(huán)境不同, 受到的選擇壓力也不同, 生物會(huì)通過(guò)對(duì)密碼子重定義來(lái)合成對(duì)自身有利的蛋白, mtDNA 為我們研究密碼子在進(jìn)化過(guò)程中重定義提供了很好的原料。同時(shí), 研究這些密碼子重定義也可以使我們更好地了解線粒體進(jìn)化歷史。

4 總 結(jié)

線粒體具有獨(dú)特的起源進(jìn)化方式, 同時(shí)受到mtDNA 和 nDNA的雙重調(diào)節(jié), 因此線粒體基因、核基因、以及核-質(zhì)基因相互作用的異常均會(huì)導(dǎo)致線粒體疾病（Bourgeron et al, 1995)。這種在結(jié)構(gòu)和功能上的特殊性使其成為我們?cè)诜肿舆M(jìn)化研究中的天然材料。線粒體是細(xì)胞的能量供應(yīng)站, 對(duì)于mtDNA的研究, 為我們研究生物的能量代謝適應(yīng)性進(jìn)化的遺傳機(jī)制及動(dòng)物的進(jìn)化與線粒體進(jìn)化的關(guān)系提供了很好的視角。通過(guò)對(duì)mtDNA突變的實(shí)驗(yàn)研究, 結(jié)合nDNA的相互作用使得我們對(duì)能量代謝特異基因的突變?cè)诠δ芎蜕砩袭a(chǎn)生的影響有更深刻的理解, 并為疾病相關(guān)治療提供基礎(chǔ)。

線粒體基因組數(shù)量在動(dòng)物進(jìn)化中基本上趨于減少, 但其基因組進(jìn)化速率卻高于核基因, 這不免會(huì)在進(jìn)化過(guò)程中積累很多輕微有害的突變, 而很多mtDNA的功能由nDNA來(lái)調(diào)控, 甚至部分mtDNA已從線粒體中轉(zhuǎn)移至細(xì)胞核?；诖? Osada &Akashi (2012)提出了線粒體與細(xì)胞核的互償進(jìn)化模式, 即表面看來(lái) mtDNA 快速進(jìn)化且積累一定的有害突變, 但是mtDNA 只是為nDNA 提供可選擇的材料, mtDNA 的有害部分會(huì)通過(guò) nDNA 的調(diào)控來(lái)減少其有害性, 而一旦出現(xiàn)在選擇作用下具有適應(yīng)性的基因, 將會(huì)從 mtDNA 轉(zhuǎn)移至 nDNA。因此,mtDNA看似積累有害突變, 其實(shí)是生物適應(yīng)性的更好體現(xiàn)。在今后的分子進(jìn)化研究中, 應(yīng)該更多的把 mtDNA 和 nDNA結(jié)合起來(lái)考慮。在植物體中,由于線粒體基因組還會(huì)與葉綠體發(fā)生轉(zhuǎn)移, 故應(yīng)該同時(shí)考慮葉綠體。這將會(huì)使mtDNA在分子進(jìn)化研究中提供更多有用的信息。

隨著分子技術(shù)的進(jìn)步, 應(yīng)同時(shí)考慮線粒體編碼和核基因編碼的能量代謝相關(guān)基因在能量代謝適應(yīng)性進(jìn)化過(guò)程中的協(xié)調(diào)作用。利用基因水平研究為向?qū)? 從宏觀的角度去驗(yàn)證基因與功能的關(guān)系將為探討線粒體功能與分子進(jìn)化的相互作用關(guān)系提供一個(gè)更為全面的視角。