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通过本章你会了解到 线粒体DNA是什么？ 线粒体DNA怎么突变的？ 线粒体夏娃和母系单倍群 线粒体DNA与母系社会 线粒体DNA检测在现代社会的应用 一、线粒体的起源以及线粒体DNA的遗传基础 关于线粒体的主流假说认为，线粒体来源于十几亿年前的古细菌，后来这种古细菌被真核细胞吞噬，就成了细胞器——线粒体，这种假说被称作共生假说。也就是说，我们现在生物体内所有的线粒体可能都来自那一个老祖宗。共生假说还认为正是细胞中有了线粒体后才能自我产能，自给自足，生命大繁衍才有了可能。所以线粒体对于地球生命来讲是至关重要的。
线粒体作为细胞内主要的“能量工厂”而存在，单个细胞内的线粒体可达数百至上千个，这些线粒体是细胞内氧化还原反应的主要场所。线粒体的DNA长度在16569个碱基对，是闭合环状DNA分子，几乎不重组。而这段仅有一万多个碱基的DNA上却有37个基因，主要功能是调控氧化磷酸化和蛋白质的组装。 线粒体DNA与核DNA(即常说的46条染色体)是相互独立的，所以不会相互影响。我们人类受精卵中的线粒体几乎都来自卵子，因为在受精卵发育的过程中，来自卵子的线粒体会得以保留并继续扩增，而来自精子的线粒体则逐步消亡，精子中线粒体的分裂机制可能导致自身的线粒体被选择性清除。因此人体内的线粒体一定是来自妈妈的而不会是爸爸的，而妈妈的线粒体来源于妈妈的妈妈的，所以一个人的线粒体DNA一定来自他(她)的母亲的母亲的母亲….. 依据这个特性，研究人员用线粒体DNA的突变构建了现代人类的线粒体谱系树（单倍群），用以追溯人类母系祖先的分化。不过可不是所有的线粒体DNA都可以用来研究人类母系祖先的哦。 二、线粒体DNA的突变情况 线粒体DNA可以分为控制区和编码区，控制区（标记位置在16024bp到16569bp和1bp到576bp）是线粒体DNA的高突变率区，也称高变区，平均每150年就有1个突变，因此超过五代平均就产生一个突变。
例如，受精卵的线粒体DNA的一个碱基从C变成T，此为一个突变，如果这个人是女性，这次突变就会通过她的线粒体传承给下一代子女。 编码区包含有37个结构基因，相对稳定，3000年才发生一个突变。正因为突变速率不同，高变区和编码区突变的用途也不同。 高变区突变率偏块，因此可以追溯晚近的母系祖先，比如一千年以内。但对于构建人类线粒体谱系来说，高变区的突变速率又过快，其中的回复突变、平行突变等，严重影响谱系树的构建。这个时候我们就要用到编码区的突变，因为它的突变速率不高，平均3000年左右一个，适合构建数千至数万年尺度的人类谱系。我们的线粒体单倍群(MT DNA Haplogroup)就是依据控制区的突变构建的。 三、线粒体夏娃—全世界现代人类共同的远古母亲 根据线粒体上的突变数量和突变速率，我们算出现代人的线粒体都是来自一位共同的20多万年前的非洲女人——线粒体夏娃。她的线粒体所具有的突变是现代人类所共有的（排除二次突变），因此可以断定现代人类的线粒体都传承自这位女性。 从线粒体夏娃往下，层层划分，每一支系都根据它独特的突变标记来确定。 全世界的线粒体单倍群主要分为7个大类，即L0、L1、L2、L3、L4、L5、L6，它们被称为线粒体夏娃的“七个女儿”。实际上这七个大类的祖先并非处于同一时代，“七个女儿”只是形象化的称谓而已。其中L0、L1、L2、L4、L5、L6主要分布在非洲，在临近非洲的西亚地区也有少量分布。而L3是非洲以外线粒体的主要类型，下面又包含了M、N、L3*三大类。所以据此也可以断定现代人类起源于非洲。
四、线粒体单倍群 L3*主要分布在欧洲和西亚地区。M大类主要分布于亚洲和美洲，大约形成于6万年前。中国人的线粒体大约52%都属于M大类。M下面又可以分出M1～M91、D、G、Q等许多分支。中国境内主要有M7、M8（含C、Z）、M9、M10、D、G等支系，其中D约占23%，C约占3.8%，Z约占2.9%，M7约占8%，M8约占2.5%、M10约占1.7%，M9约占1.8%，G约占5.5%，其余的M的各种分支累计占3%左右。
N大类分布于非洲中南部以外的世界各地，在中国人群中占48%左右。N下游包括N1～N22、A、I、R、O、S、W、X等支系。中国境内主要有A、N9、R等支系。A在中国占7%左右。N9包含N9a、N9b、Y，N9a在中国占4.3%左右，Y占1.2%左右，N9b在中国极少。R下游包括R0、JT、R9、B、U等，中国境内的R主要是R9（包括R9b、R9c、F）、B4、B5，其中R9b占0.9%左右，R9c约占0.4%，F约占14.8%，B4约占11.4%，B5约占5%。 线粒体与母系社会 研究显示，东亚很多线粒体单倍群都爆发于20000-10000年前，例如D4b2b、D4a、D4j、D5a2a、F2、B4a、G2a1、M7a1a、M7b1’2’4、N9a等。 与Y染色体单倍群比较，东亚主要线粒体爆发的时间均相对提早了数千年，表明在这一段时间内东亚存在不少以女性为中心的社会形态。 当然，另一种可能是当时的生活环境、生产力导致男性更容易死亡，因此保留下来的支系更少。 母系氏族在原始社会中的存在已经得到了证明。4800-4500年前的山东广饶傅家遗址出土的古人骨，经检测，Y-DNA单倍群有四类，而线粒体DNA单倍群则全部一致，表明这是一个以女性为中心的氏族。当代摩梭人的“走婚”制也是母系社会的一种形态。 但是，母系氏族的存在并不代表那个时代以母系社会为主流。当代Y染色体单倍群有多个在10000-4000年前爆发的大支系，其中在男性中超过10%的就不下4支，因此新石器时代以男性为中心的氏族可能更普遍。 五、线粒体故事： 沙皇家族的鉴定 对于现代法医鉴定，线粒体也起了很大的作用。 1918年7月16日，俄国沙皇尼古拉二世全家在叶卡捷琳堡被枪决，并被埋在路边一个浅坑内，尸体被毁容、焚烧，埋葬地鲜为人知。此后，关于沙皇家族的下落就渐渐流传出了许多版本，有人说他们已经被转移到他处，有人说皇室的小公主已经逃脱，并且先后有200余人宣称自己是末代公主….
1978年，两名业余爱好者根据当年保皇党索科洛夫找到了沙皇一家的埋葬地，但直到1989年才公诸于世。1991年，俄罗斯政府正式挖掘了墓地，共发现了5具女尸、4具男尸。此后，法医专家和人类学家参与了尸骨鉴定，最终用常染色体上5个STR证明其中5具尸体来自同一个家庭，即父亲、母亲和三个女儿。但是，这无法证明5具尸体就是沙皇一家。这个时候，线粒体DNA的鉴定帮了大忙。 根据记载，皇后亚力山德拉是英国维多利亚女王的外孙女，理论上，她和三位公主的线粒体单倍群应该与菲利普亲王（母亲为维多利亚女王的外曾孙女）一致。经检测，遗骨中有四具尸体的线粒体与菲利普亲王一致，可确定为皇后和三位公主；另有一具男性尸骨的线粒体DNA，仅在16169这个位置上的突变与沙皇现存的母系亲属不同，其余均一致，经后续检验，沙皇的弟弟乔治（1899年死于车祸）在16169处也有同样有这种突变，表明这具男尸就是沙皇本人。 另外，沙皇尼古拉二世在1891年访问日本时曾遭遇行刺，当时沾有血迹的衬衣在圣彼得堡被保留下来。经过法医鉴定，血斑提取的DNA的常染色体STR和Y染色体STR均与此前发现的男性头骨完全一致，也与沙皇家族建在的亲属一致，此为有力的辅证。 而墓坑中没有发现的另外一位公主和小王子的尸骨，也于2007年在距墓坑只有70米的地方被挖掘，经DNA鉴定，均属沙皇一家。 至此，尘埃落定：沙皇一家在1918年全部被灭口，无人逃脱。 沙皇尼古拉二世的线粒体单倍群为T2，皇后亚力山德拉也即英国维多利亚女王的线粒体单倍群为H。 Cann RL, Stoneking M, Wilson AC (1987) Mitochondrial DNA and human evolution. Nature, 325 (6099): 31–36. Johnston, Iain G, Williams, Ben P (2016)Evolutionary Inference across Eukaryotes Identifies Specific Pressures Favoring Mitochondrial Gene Retention. Cell Systems, 2 (2): 101–11. Wang Y, Zhang Y, Xue D, Kang B H, et al (2016) Kinetics and specificity of paternal mitochondrial elimination in Caenorhabditis elegans. Nature Communications, 7 :12569. Gitschier J (2010) All about Mitochondrial Eve: An interview with Rebecca Cann. PLoS Genetics, 6 (3): e1000959. Li L, Zheng H, Jin L, Wang X, et al (2015) Mitochondrial Genomes and Exceptional Longevity in a Chinese Population: the Rugao Longevity Study. AGE,37:14. Aledo JC, et al (2011) Mitochondrially encoded methionine is inversely related to longevity in mammals. Aging Cell,10(2):198-207. Fu Q, Mittnik A, et al (2013) A revised timescale for human evolution based on ancient mitochondrial genomes. Current Biology, 23 (7): 553–559. Wen B, et al (2004) Genetic evidence supports demic diffusion of Han culture.Nature, 431(7006):302-5. Li H, Cai XY, et al(2007) Mitochondrial DNA diversity and population differentiation in southern East Asia. American Journal of Physical Anthropology, 34 (4) :481. Wen S Q, Tong X Z , Li H (2016) Y-chromosome-based genetic pattern in East Asia affected by Neolithic transition . Quaternary International ,426:50e55. Ji F, et al (2012) Mitochondrial DNA variant associated with Leber hereditary optic neuropathy and high-altitude Tibetans. PNAS, 109 (19) :7391. Dong Y, Li C X, et al (2015) Low Mitochondrial DNA Diversity in an Ancient Population from China: Insight into Social Organization at the Fujia Site. Human Biology, 87 (1) :71. Zheng HX, Yan S, et al (2011) Major population expansion of east asians began before neolithic time: Evidence of mtDNA Genomes. Plos One , 6 (10) :e25835. Behar D, Vanoven M ,et al (2012) A “Copernican” Reassessment of the Human Mitochondrial DNA Tree from its Root. American Journal of Human Genetics, 90 (4) :675-84. Peter G, et al (1994) Identification of the remains of the Romanov family by DNA analysis. Nature Genetics, 6 (2) :130-5. Coble M D, Loreille O M, Wadhams M J, et al (2009) Mystery solved: the identification of the two missing Romanov children using DNA analysis. PLoS One. 4(3):e4838. |
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