的线粒体DNA是位于在真核细胞这些细胞器中的小环状DNA分子。这个小的基因组编码线粒体内非常有限的蛋白质和氨基酸数量。通常在许多教科书和科学文章中都使用“ mtDNA”或英语“ mtDNA”来缩写“线粒体DNA”。
线粒体是真核细胞必不可少的细胞器，因为它们负责将以糖形式消耗的食物中的能量转化为细胞可以使用的能量形式（例如，ATP）。
线粒体DNA（来源：国家人类基因组研究所，通过Wikimedia Commons）
真核生物中的所有细胞内部至少都有一个线粒体。但是，有些细胞（例如心肌细胞和骨骼肌细胞）内部可能有数百个线粒体。
线粒体有自己的蛋白质合成装置，与细胞装置无关，具有核糖体，转移RNA和来自细胞器内部的氨酰基RNA转移酶合成酶。尽管核糖体RNA小于容纳它们的细胞。
这种设备显示出与细菌的蛋白质合成设备非常相似。此外，与原核生物一样，该装置对抗生素极为敏感，但与真核细胞中的蛋白质合成非常不同。
“线粒体”一词是Benda在12世纪末提出的，“内共生”理论是最广泛接受的关于它的起源。该书由Lynn Margulis于1967年在《理论生物学》杂志上发表。
“内共生”理论是数百万年前的线粒体起源。从理论上讲，真核细胞的祖先被“吞噬”，并在其新陈代谢中掺入了细菌样生物，后来成为我们现在所知的线粒体。
特点
在哺乳动物中，通常，包含线粒体DNA的整个基因组在15,000至16,000对核苷酸或15至16 Kb（千碱基）的环状染色体中组织。
在大多数线粒体中，您可以获得线粒体染色体的多个副本。在人类体细胞（非性细胞）中，常见的是找到至少100个线粒体染色体拷贝。
在高等植物（被子植物）中，线粒体DNA通常要大得多，例如，在玉米植物中，线粒体DNA的环状染色体可以测量到570 Kb。
线粒体DNA占大多数脊椎动物动物体细胞总DNA的约1％。它是动物界中高度保守的DNA，与在植物中观察到的DNA却存在着广泛的多样性相反。
在某些“巨型”真核细胞中，例如哺乳动物的胚珠（性细胞）或在含有许多线粒体的细胞中，线粒体DNA最多可构成细胞总DNA的1/3。
线粒体DNA与核DNA具有不同的特性：它的鸟嘌呤-胞嘧啶（GC）和腺嘌呤-胸腺嘧啶（AT）碱基对的密度和比率不同。
线粒体DNA的GC碱基对密度为1.68 g / cm3，含量为21％。而在核DNA中，密度为1.68 g / cm3，含量约为40％。
特征
线粒体DNA拥有至少37个基因，对线粒体的正常功能至关重要。在这37个中，有13个拥有产生涉及氧化磷酸化酶的信息。
这13个基因编码酶复合物的13个多肽成分，这些成分属于电子传输链，位于线粒体内膜上。
尽管线粒体DNA有助于电子传输链的13种多肽，它还是由100多种不同的多肽组成。但是，这13个成分对于氧化磷酸化和电子传输链至关重要。
线粒体DNA示意图（来源：Mikibc〜commonswiki，通过Wikimedia Commons）
从线粒体DNA合成的13种多肽中，细胞色素C氧化酶复合物的I，II和III亚基以及嵌入细胞器内膜的ATPase泵的VI亚基脱颖而出。
合成构成线粒体的其余成分所需的信息由核基因编码。它们像其他细胞蛋白一样在细胞质中合成，然后由于特定信号而被导入线粒体。
在氧化磷酸化中，氧和糖原子（例如葡萄糖）用于合成或形成三磷酸腺苷（ATP），这是所有细胞用作能源的化学物质。
其余的线粒体基因具有合成线粒体内蛋白质合成所必需的转移RNA（tRNA），核糖体RNA和氨酰-RNA转移酶-合成酶（tRNA）的说明。
遗产
直到最近，人们才一直认为线粒体DNA仅通过母体遗传途径传播，即通过母亲的直接后代传播。
然而，罗诗玉及其同事在2019年1月的《美国国家科学院院刊》（PNAS）上发表的一篇文章发现，在极少数情况下，线粒体DNA可以从父母双方那里遗传而来父亲和母亲的关系。
在这篇文章发表之前，科学家的事实是，Y染色体和线粒体DNA分别是从父亲和母亲到后代的完整遗传。
线粒体基因Y染色体基因的“完整”遗传意味着，所述遗传物质不会因重组而发生变化，并且多年来，它们仅因自发突变而发生变化，因此变化非常低。
因此，大多数人口动员研究都是在这些基因的基础上进行的，例如，由于遗传学家很容易使用线粒体DNA来构建家谱。
人类的许多历史已经通过线粒体DNA的遗传历史得以重建。许多商行甚至提出通过研究这些特征的技术来阐明每个在世人士与其祖先的家庭联系。
复写
线粒体DNA复制的第一个模型是由Vinograd及其合作者于1972年提出的，该模型仍然有效，但有一些变化。广义上讲，该模型基于单向复制，该复制从两个不同的复制起点开始。
科学家将线粒体染色体分为两个不同的链，重链H或OH来自英语“重”，轻链L或OL来自英语“轻”。这些被识别并位于线粒体染色体上的两个未分配的开放阅读框（URF）中。
线粒体基因组的复制在重链（OH）中开始，并在一个方向上继续进行，直到产生轻链（OL）的全长为止。随后，连接称为“线粒体单链DNA结合蛋白”的蛋白质，以保护充当“母体”或“模板”的链。
负责复制发生复制的酶（Repacoacosome）传递至轻带（OL），并形成一个环状结构，该结构阻断了线粒体单链DNA结合蛋白的结合。
在此环中，线粒体RNA聚合酶结合，新引物的合成开始。向重链（OH）合成的过渡发生在25个核苷酸之后。
就在过渡到重链（OH）时，线粒体RNA聚合酶在3'末端被线粒体复制性DNA聚合酶所取代，并在3'端开始复制。
最后，重链（OH）和轻链（OL）的两条链的合成连续进行，直到形成两个完整的双链（双链）DNA环状分子。
相关疾病
有许多与线粒体DNA功能异常有关的疾病。大多数是由破坏基因组中包含的序列或信息的突变引起的。
与年龄增长有关的听力损失
与线粒体DNA基因组变化直接相关的研究最好的疾病之一是由于年龄增长所致的听力丧失。
这种情况是遗传，环境和生活方式因素的产物。随着人们的年龄增长，线粒体DNA会积累有害的突变，例如缺失，易位，倒位等等。
线粒体DNA的损伤主要是由活性氧的积累引起的，这些都是线粒体能量产生的副产物。
线粒体DNA没有修复系统，因此特别容易受到破坏。因此，由活性氧引起的变化会破坏线粒体DNA，并使细胞器发生故障，从而导致细胞死亡。
内耳的细胞对能量的需求很高。这种需求使它们对线粒体DNA损伤特别敏感。这些损害会不可逆转地改变内耳的功能，导致听力完全丧失。
癌症
线粒体DNA对体细胞突变特别敏感，这些突变不是从父母那里遗传的。这些类型的突变会在一个人的一生中发生在某些细胞的DNA中。
有证据表明，由体细胞突变引起的线粒体DNA改变与某些类型的癌症，乳腺，结肠，胃，肝和肾中的肿瘤有关。
线粒体DNA的突变也与血液癌如白血病和淋巴瘤（免疫系统细胞癌）有关。
专家将线粒体DNA中的体细胞突变与活性氧的产生增加联系起来，活性氧是增加线粒体DNA损伤并造成细胞生长缺乏控制的因素。
关于这些突变如何增加细胞的不受控制的细胞分裂以及它们最终如何发展为癌性肿瘤知之甚少。
循环呕吐综合征
一些周期性的呕吐病例，典型的是儿童时期，被认为与线粒体DNA的突变有关。这些突变会引起恶心，呕吐，疲倦或嗜睡的反复发作。
科学家将这些呕吐事件与线粒体DNA受损的线粒体可以影响植物神经系统的某些细胞，从而影响心率，血压和消化功能有关。
尽管存在这些关联，但线粒体DNA的变化如何引起循环性呕吐综合征的复发还不清楚。
参考文献
- Clayton，D。（2003）。线粒体DNA复制：我们所知道的。IUBMB生命55（4-5），213-217。
- Falkenberg，M.（2018年）。哺乳动物细胞中的线粒体DNA复制：该途径的概述。生物化学论文，62（3），287-296。
- 吉尔斯（Giles，RE），布兰克（H. 人类线粒体DNA的母体遗传。美国国家科学院院刊，77（11），6715-6719
- 罗南。巴伦西亚，加利福尼亚州，张J.，李，北卡罗来纳州，斯隆，J。回复Lutz-Bonengel等人：双亲mtDNA传递不太可能是核线粒体DNA片段的结果。美国国家科学院院刊，116（6），1823-1824。
- McWilliams，TG和Suomalainen，A.（2019）。父亲的线粒体的命运。自然，565（7739），296-297。
- 国家医学图书馆。遗传学家庭参考：了解遗传条件的指南。
- Shadel，GS和Clayton，DA（1997）。脊椎动物的线粒体DNA维护。年度生物化学评论，66（1），409-435。
- Simmons，MJ和Snustad，DP（2006）。遗传学原理。约翰·威利父子。