1、3.1 线粒体基因组的大小线粒体基因组的大小3.2 线粒体基因组的组织结构线粒体基因组的组织结构3.3 线粒体基因组的组成线粒体基因组的组成3.4 线粒体基因的一些特征线粒体基因的一些特征3.5 RNA编辑编辑3.6 植物细胞质雄性不育与线粒体的关系植物细胞质雄性不育与线粒体的关系3.7 遗传信息在基因组之间的流动遗传信息在基因组之间的流动3线粒体基因组Mitochondrial genome 3.1 线粒体基因组的大小 植物植物线粒体基因组不仅特别大，还表现出很大线粒体基因组不仅特别大，还表现出很大的差异性，如西瓜与甜瓜线粒体基因组的差异。而的差异性，如西瓜与甜瓜线粒体基因组的差异。而动物线
2、粒体基因组则小得多，大小也比较接近。但动物线粒体基因组则小得多，大小也比较接近。但植物植物mtDNA所包含的有功能的遗传信息量并不比动所包含的有功能的遗传信息量并不比动物物mtDNA大多少，主要是因为植物大多少，主要是因为植物mtDNA含有很含有很多内含子及重复序列，基因间的间隔区也很大。多内含子及重复序列，基因间的间隔区也很大。mtDNA突变快。细胞培养的突变快。细胞培养的mtDNA与正常植物中与正常植物中的的mtDNA有较大的有较大的不同。不同。 表表31 线粒体基因组大小线粒体基因组大小生物种类生物种类mt DNA (kb)生物种类生物种类mt DNA (kb)人人16.569小麦小麦4
3、30鼠鼠16.295油菜油菜221牛牛16.298甘蓝甘蓝219鲸鲸16.398菠菜菠菜327鸡鸡16.775玉米（育系）玉米（育系）570海胆（海胆（P. lividus)15.697玉米（雄性不育系）玉米（雄性不育系）540海星海星16.260西瓜西瓜330果蝇果蝇16.019甜瓜甜瓜2600土壤线虫土壤线虫13.794黄瓜黄瓜1500酵母酵母84蚕豆蚕豆285红藻（红藻（C. merole)32.211绿豆绿豆400拟南芥拟南芥366.924地钱地钱184.400分离完整线粒体DNA的方法 为了避免分离提纯线粒体为了避免分离提纯线粒体DNA时带来的人工损伤，时带来的人工损伤，将线粒体制品
4、包埋到低熔点琼脂糖凝胶中，然后用去将线粒体制品包埋到低熔点琼脂糖凝胶中，然后用去垢剂和蛋白酶垢剂和蛋白酶K处理以释放处理以释放DNA,这种方法叫胶块内提这种方法叫胶块内提取法，取法，DNA分子结构基本上是完整的。然后将胶块放分子结构基本上是完整的。然后将胶块放在制备好的琼脂糖胶样品池中跑脉冲电泳。在这种电在制备好的琼脂糖胶样品池中跑脉冲电泳。在这种电泳中，环状泳中，环状DNA分子的泳动与分子量比它高得多的线分子的泳动与分子量比它高得多的线状状DNA分子相似（分子相似（100kb环状环状DNA分子与分子与2200kb线状线状DNA分子相似）。分子相似）。 线粒体DNA分子的形状 mtDNA既有环
5、状分子，也有线状分子，在一种既有环状分子，也有线状分子，在一种生物体内也可能两种形态的分子同时存在。生物体内也可能两种形态的分子同时存在。 动物动物mtDNA大部分是环状分子，周长约大部分是环状分子，周长约5.05.8m，这不仅用电镜可以观察到，而且用，这不仅用电镜可以观察到，而且用CsCl密密度梯度离心可以分离到它们的超螺旋分子。然而最度梯度离心可以分离到它们的超螺旋分子。然而最近用人的细胞株近用人的细胞株mtDNA的研究表明，有的研究表明，有1%左右是左右是线状的，线状的，50%是环状的，其余是一种是环状的，其余是一种连环多聚体。连环多聚体。线粒体DNA分子的形状 从脉冲场凝胶从脉冲场凝胶
6、电泳上电泳上mtDNA的行为看，大多的行为看，大多数植物和真菌的数植物和真菌的mtDNA表现出是线状分子，但也表现出是线状分子，但也有很多植物中有环状分子。在一些植物线粒体中，有很多植物中有环状分子。在一些植物线粒体中，含有大小不等的许多环状分子。如在烟草培养细胞含有大小不等的许多环状分子。如在烟草培养细胞中，整个线粒体基因组以一个亚基因组环的群体存中，整个线粒体基因组以一个亚基因组环的群体存在，大环与小环、小环与小环之间在，大环与小环、小环与小环之间有联系。有联系。 主宰染色体模型 根 据根 据 “ 主 宰 染 色 体 模 型主 宰 染 色 体 模 型 ” （ m a s t e r chr
7、omosome model），有些植物线粒体基因组可以），有些植物线粒体基因组可以用单个环状用单个环状DNA分子来代表，这个分子包含了所有分子来代表，这个分子包含了所有的遗传信息，故称之为的遗传信息，故称之为“主宰染色体主宰染色体”。如果主宰。如果主宰染色体上由许多正向重复序列对的话，通过分离重染色体上由许多正向重复序列对的话，通过分离重组就会产生许多大小不等的环状分子。组就会产生许多大小不等的环状分子。 环状DNA重复序列间的重组同向重复同向重复反向重复反向重复图图34 玉米线粒体基因组的环状分子玉米线粒体基因组的环状分子图图31 人线粒体人线粒体DNA基因图谱基因图谱表表32 已确定的植物
8、已确定的植物 mtDNA 编码基因编码基因翻翻译译装装置置rRNA 26S 18S 5StRNA核糖体蛋白小亚基核糖体蛋白小亚基 大亚基大亚基rrn 26rrn 18rrn 5至少至少16种种rps 1, rps 3, rps 7, rps 12, rps 13, rps 14, rps 19rpl 1, rpl 2, rpl 5, rpl 16呼呼吸吸链链复复合合体体亚亚基基NADH脱氢酶脱氢酶cyt b cyt c 氧化酶氧化酶ATP合酶合酶cyt c 生物发生生物发生保守保守ORFnad 1, nad 2, nad 3, nad 4, nad 4L, nad 5, nad 6,nad 7
9、, nad 9cyt bcox 1, cox 2, cox 3atp 1, atp 6, atp 9至少至少4个基因个基因已知至少已知至少10个个表表34 不同生物线粒体之间遗传密码的不同生物线粒体之间遗传密码的变化以及与核基因的差异变化以及与核基因的差异密码密码核核叶绿体叶绿体线粒体线粒体哺乳动物哺乳动物果蝇果蝇粗糙脉孢菌粗糙脉孢菌酵母酵母植物植物UGA终止终止色色色色色色色色终止终止AGA、AGG精精终止终止丝丝精精精精精精AUA异亮异亮甲硫甲硫甲硫甲硫异亮异亮甲硫甲硫异亮异亮AUU异亮异亮甲硫甲硫甲硫甲硫甲硫甲硫甲硫甲硫异亮异亮CGG精精精精精精精精精精色和精色和精CUU、CUC、CUA
10、、CUG亮亮亮亮亮亮亮亮苏苏亮亮线粒体基因中的内含子 动物线粒体基因不含内含子，植物线粒体基因含有内含动物线粒体基因不含内含子，植物线粒体基因含有内含子（但也有少数低等植物如红藻线粒体基因没有内含子）。子（但也有少数低等植物如红藻线粒体基因没有内含子）。内含子可分为内含子可分为类内含子和类内含子和类内含子。类内含子。类内含子具有类内含子具有“中部核心结构中部核心结构”（centrol core structure），该结构在），该结构在RNA剪接中起作用，构成这种二级结构的是四个剪接中起作用，构成这种二级结构的是四个1012个碱基的个碱基的保守序列；没有这种保守序列；没有这种“中部核心结构中部核心结构”的内含子属于的内含子属于类内类内含子。有些内含子中还具有含子。有些内含子中还具有ORF，其序列类似于，其序列类似于RNA成熟酶成熟酶（即内切酶）或逆转录酶。（即内切酶）或逆转录酶。 高等植物线粒体基因中没有发现高等植物线粒体基因中没有发现类内含子存在。类内含子存在。 图图36 遗传信息在遗传信息在3个基因组间的转移个基因组间的转移
