粒線體DNA（Mitochondrial DNA）

粒線體DNA（Mitochondrial DNA）
台北市第一女子高級中學生物科許一懿老師/國立台灣師範大學生命科學系李冠群助理教授責任編輯

真核細胞中大多數的DNA位在細胞核內（nuclear DNA，以下簡稱為nDNA），粒線體DNA（mitochondrial DNA，以下簡稱為mtDNA）則是指粒線體內的環狀DNA。在1960年代，兩位那斯（Margit Nass & Sylvan Nass）利用電子顯微鏡發現粒線體內有一些絲狀構造，容易被DNA酶所分解；另外有三位科學家（Ellen Haslbrunner, Hans Tuppy & Gottfried Schatz）利用生化分析的方式，研究純化的粒線體碎片後找到mtDNA。

mtDNA和nDNA具不同的演化來源，根據「內共生學說」，粒線體是被真核細胞吞噬的共生細菌(symbiotic internal bacteria)，經過長期演化，變成細胞的胞器，如此說來，mtDNA是來自細菌的環狀染色體。現生生物體內細胞中粒線體所需的蛋白質，大多數是由nDNA所製造，mtDNA只負責合成部分的蛋白質。細胞分裂時，細胞質的粒線體隨機地分給子細胞，數目不一定對等。分裂後子細胞只要有幾個粒線體，便可以自行複製到所需要的數量為止。mtDNA複製時，需要第15號染色體的基因控制其複製酶，因此不同細胞所含的粒線體數目不一，差異極大。代謝旺盛的心肌細胞中粒線體幾乎佔細胞的一半，其次為神經、肌肉、骨骼及內分泌細胞，成熟紅血球的粒線體則幾乎消失。

人體每個單一的粒線體中，大約具有2~10套mtDNA，mtDNA基因體已全部定序，標準的劍橋排序(Cambridge sequence)有16,548個鹼基對。mtDNA雙股配對鹼基為AT及CG，和nDNA的基因及功能大致相似。在64個代表胺基酸的密碼子(codons)中，mtDNA與nDNA有4個密碼子不同(見表一、nDNA與mtDNA的比較)。mtDNA共有37個基因，包括13種和有氧呼吸有關的蛋白質基因，2個核糖體次單位中rRNA的基因，以及22個tRNA基因。

mtDNA基因體比nDNA更容易突變，其機率是nDNA的10倍。一方面由於粒線體本身少有修護mtDNA的能力，另一方面是粒線體在電子傳遞的過程中，逸出的電子會與氧分子結合成超氧自由基(superoxide free radicals)，破壞mtDNA的鹼基而造成突變。

正常情況下，人體的mtDNA是由母親遺傳給子代，稱為母系遺傳，也就是外祖母、母親、兄弟姊妹、和阿姨所生的子女都會有相同的mtDNA。這是因為受精卵只從卵細胞獲取大約1000個粒線體，精子粒線體因集中在尾部，受精的那一刻被拋棄在受精卵之外；即使少量精子粒線體進入卵細胞，也會遭到破壞。這個特性使得人類mtDNA可以用在身分的鑑定，法庭上經常使用mtDNA來鑑定放置較久的人體遺骸，特別是未破案的無名屍骨，雖然mtDNA較不具有個體的專一性，但由於mtDNA套數較nDNA更多，樣本取得容易，有些專家認為mtDNA較nDNA更適合用來鑑定身分。美國有名的罪犯杰希．詹姆斯(Jesse James)的遺體就是利用這個方法確認，俄國最後一位女皇(Alix of Hesse) 和他的孩子也是利用mtDNA鑑定出他們的身分和親屬關係。

此外，mtDNA母系遺傳的特性，也提供考古學上分子生物學的證據。考古學家推算，人類與黑猩猩大約在600萬年前分開演化。比對mtDNA的差異，推算出mtDNA大約每40代會產生一個新的鹼基突變，這就是粒線體時鐘(mitochondrial clock)或DNA分子時鐘(DNA molecular clock)的計時方式。一個族群存在愈久，累積的變異愈多，mtDNA就越複雜。現代非洲人有最複雜的mtDNA，其次為亞洲人，歐洲人的mtDNA多樣性為非洲人的一半。分析mtDNA變異型可用來推測小族群遷徙的途徑。柏克萊大學Allan Wilson等人推論：所有人類粒線體的共同祖先(粒線體夏娃)在15萬年前即出現在非洲衣索比亞，離開非洲後分成兩支：一支進入亞洲，一支進入歐洲。進入亞洲後，即沿中亞、南亞、東亞遷徙，另一支沿北亞遷徙進入北、中、南美洲，這些路徑都可以藉由mtDNA的比對來推演。

圖一、mtDNA（維基百科）

參考文獻:
維基百科http://en.wikipedia.org/wiki/MtDNA
何敏夫，認識粒線體DNA，醫檢論壇，www.labmed.org.tw/member/PDF/20-24%20認識粒線體DNA.pdf