线粒体基因组——在生物体、细胞和单个线粒体水平上的选择性约束和特征

作者：张馨予

自然选择作用于表型。因此，许多人错误地期望仅在生物体中观察其特征，而忽略了其对组织、细胞和亚细胞区室的影响。这在线粒体基因组 (mtDNA) 的情况下尤其重要，它与细胞核不同，存在于多个细胞拷贝中，这些拷贝在组织之间的序列（异质性）和数量可能不同。由于线粒体是细胞代谢、ATP 产生和其他活动（如核苷酸生物合成和细胞凋亡）的枢纽，线粒体功能障碍会导致组织特异性和全身性疾病。因此，强大的选择压力通过净化（负）选择去除有害突变来维持线粒体功能。在平行下，选择还作用于线粒体，使细胞和生物体适应新的环境和生理条件（正选择）。然而，与核遗传信息不同，线粒体遗传系统结合了密切相互作用的双基因组因子（即由核和线粒体基因组编码）。与核基因组相比，脊椎动物 mtDNA 的突变率数量级更高，这进一步复杂化。这种突变率差异产生了大量的 mtDNA 突变景观供选择行动，但也需要紧密的线粒体核协同进化来维持线粒体活动。在本文中，我们将在生物体、组织、细胞和单个线粒体水平上考虑自然选择的独特线粒体特征。

线粒体基因组

介绍

所有细胞都需要 ATP，因为它是最常见的细胞工作货币。虽然糖酵解提供了在葡萄糖可用时产生 ATP 的方法，但大约 25 亿年前，通过线粒体祖先和真核细胞祖细胞之间的内共生，在真核生物中出现了一个数量级和更有效的能量生产系统（Sagan，1967）。从那以后，遗传物质从前自由生活的α蛋白细菌的基因组迁移到宿主细胞核（此处不讨论其形成）。这种明显的横向基因转移在宿主和租户之间产生了相互依赖，这不仅是因为细胞依赖线粒体 ATP 的产生，而且还因为线粒体参与了许多其他主要活动，例如核苷酸生物合成、铁硫的产生蛋白质簇、细胞凋亡等。因此，线粒体不能在真核细胞外生长，并且绝大多数真核细胞没有它们的线粒体就无法生存。

线粒体基因组

遗传物质从细胞质到细胞核的这种重新定位需要使以前的线粒体 DNA (mtDNA) 编码基因适应核遗传密码和翻译机制，将“新”遗传移民同化到基因调控的核模式中，它们响应染色质重塑，最终需要获得蛋白质特性，允许它们重新导入线粒体以维持其功能。后生动物的出现使情况变得更加复杂，后生动物需要每个组织和细胞类型的不同能量消耗（Lane 和 Martin，2010 年））。因此，应该施加强选择性约束以保持产生这种能量的因素的活动（通过负选择）。与此同时，正选择也可能使能量代谢系统适应各种环境，并可能允许每种细胞类型将其特定活动纳入生物体组织中。在当前的文章中，我们将讨论支持选择性特征的证据，这些特征标志着线粒体遗传系统出现后。我们将在三个不同的层面——生物体、细胞和个体线粒体——展示这些特征。由于许多文献研究和讨论了生物体水平，我们将更加重视细胞和线粒体水平。

线粒体基因组

选择作用于表型——线粒体表型表达的不同水平

1983 年，Motoo Kimura 提出了分子进化的中性理论，他认为大多数群体遗传变异是由通过遗传漂变而不是选择传播的突变引起的，因此，不同的等位基因通常不会影响个体的适应度（木村，1983 年））。这个理论经常被误解，因为它并不意味着生物不适应它们的环境，也没有说明自然选择在塑造遗传变异和基因组方面可以忽略不计。尽管遗传学家和他们的下一代科学家，基因组学家，热衷于识别在遗传材料中容易写成墓志铭的选择特征，但选择首先对表型和（间接）对基因型起作用。实际上，尽管在任何给定的后生动物物种中，给定个体的许多特征主要是遗传物质变化的结果，但由于两个或多个遗传因素（即上位性）之间的相互作用，许多特征的外观可能会有所不同，并且由于与环境条件的可变相互作用。在考虑线粒体时，莱文等人，2014 年）。因此，当还考虑环境时，线粒体编码的性状受两个基因组之间的相互作用以及各种环境和生理条件（G×G×E）的影响（Zhu et al., 2014）。由于每个细胞存在多个线粒体，其 mtDNA 的序列可能会有所不同（异质性），因此该方案经历了另一层次的复杂性。具体而言，异质性模式及其表型结果在分裂（有丝分裂）和有丝分裂后组织之间存在显着差异（Kowald 和 Kirkwood，2013 年；Filograna 等，2019 年）。因此，不应仅在过去广泛讨论的生物体水平上考虑线粒体表型的影响。Meiklejohn 等人，2007 年；Levin et al., 2014 )，而且在细胞水平，甚至在单个线粒体中（图 1）。起初，单个线粒体的分析受到突变检测技术分辨率