人类线粒体DNA复制机制 2014人类线粒体DNA复制机制 2014.doc

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，polymerase γ。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-displacement model）。后随链与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。 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; b)m tDNA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. 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。strand-coupled model），和RITOLS（RNA intermediates laid on the mtDNA lagging-strand?）模型。 2.1 D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,产生一种D环复制中间物. (2) 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,RNA引物的去除,完整的DNA环的连接,最后以环状双螺旋方式释放. mtDNA的D环复制最大的特征是2条链的合成是