第三节 线粒体和叶绿体的半自主性及其起源
在真核生物的细胞中，线粒体和叶绿体是一类特殊的细胞器。它们的功能受到细胞核基因组和自身基因组的双重调控。因此，真核细胞中这两种特殊的细胞器被称为半自主性细胞器( semiautonomous organelle)。由于这样的特殊性，人们普遍认为线粒体和叶绿体具有独特的内共生起源( endosymbiotic origin)。
线粒体和叶绿体以非孟德尔方式遗传。这种遗传方式可能在真核生物的起源与演化过程中发挥了重要的作用。
一、线粒体和叶绿体的半自主性
线粒体和叶绿体的功能依赖数以千计的核基因编码的蛋白质。同时，这两种细胞器还拥有自身的遗传物质DNA，编码一小部分必需的RNA和蛋白质。这些蛋白质通过线粒体和叶绿体专用的酶和核糖体系统进行翻译。
(一)线粒体和叶绿体DNA
1962年，Ris和. Plaut在衣藻叶绿体中发现了DA状物质；1963年，M.nass和S.nas在鸡胚肝细胞线粒体中也发现同样的物质，推测线粒体和叶绿体中可能存在遗传物质DNA。人们之后陆续从各种生物的叶绿体和线粒体中纯化出了DNA绝大多数真核细胞的线粒体DN( mitochondrial DNA， mtDNA)呈双链环状，分子结构与细菌的DNA相似。在不同的物种之间，mDNA的分子大小有一定的差异。比如，人类的 mtDNA约为16kb，酵母的约为78kb，而高等植物拟南芥的 mtDNA约为366kb。继1981年人类的线粒体基因组被成功测序之后，目前已有一千多种真核生物的mDNA序列信息被解读。这些信息为了解线粒体的起源与演化提供了重要的资料。
在动物细胞中，平均每个线粒体携带1个以上拷贝的 mtDNA。除了精细胞以外，每个动物细胞携带的 mtDNA拷贝数在1000~10000个范围内。相比之下植物细胞携带的 mtDNA拷贝数要低得多。此外，被子植物的 mtDNA呈现出丰富的分子多态性。
叶绿体DNA( (cpDNA)或称质体DNA( ptDNA)亦呈环状，分子大小依物种的不同呈现较大差异，在200~2500kb之间。在发育中的幼嫩叶片中，叶绿体含较多拷贝的 CPDNA(最多时接近100个)。而当叶片成熟后，每个叶绿体中的 CpDNA数量呈现明显的下调，维持在10个左右。
mtDNA和 CPDNA均以半保留方式进行复制。H嘧啶核苷标记实验证明， mtDNA主要在细胞周期的S期及G2期进行复制；而 CpDNA则主要在G1期复制。 mtDNA和 CPDNA的复制受细胞核的控制。复制所需的DNA聚合酶、解旋酶等均由核基因编码。
(二)线粒体和叶绿体中的蛋白质
mtDNA和 CPDNA也被称为线粒体基因组( mitochondrial genome)和叶绿体基因组( chloroplast genome)，具有与核DNA一样的编码功能。借助自身的酶系统(主要由核基因编码)，这些基因组携带的遗传信息会被转录和/或翻译成相应的功能分子。比如，哺乳动物的线粒体基因组编码2种rRNA(12S和16S)、22种tNA以及13种多肽。这些遗传信息均在线粒体中得到表达，其产物在线粒体的生命活动中扮演着不可缺少的重要角色。比如，上述产物中的13种多肽分别是线粒体复合物I(7个亚基)、复合物Ⅲ(1个亚基)、复合物Ⅳ(3个亚基)和F。(2个亚基)的组成部分。
叶绿体基因组携带的遗传信息同样为叶绿体的生命活动所必需。它们包括4种rRNA(23S、16S、4.5S及5S)、30种(烟草)或31种(地钱)tNA以及100多种多肽。叶绿体基因编码的多肽涉及光合作用的各个环节，如RuBP羧化酶(大亚基)、PSI(2个亚基)PSⅡ(8个亚基)、ATP合酶(6个亚基)以及 Cyt bf复合物(3个亚基)。此外，叶绿体基因编码的多肽还以70S核糖体的组成蛋白等形式参与叶绿体的生命活动。
可见，线粒体和叶绿体基因组编码的蛋白质在线粒体和叶绿体的生命活动中是重要和不可缺少的。但这些蛋白质还远远不足以支撑线粒体和叶绿体的基本功能，更多的蛋白质来自于核基因组的编码，于细胞质中合成后被运往线粒体和叶绿体的功能位点。比如，酵母线粒体中的主要酶复合物由75个亚基组成。其中线粒体基因组编码并在线粒体中合成的只有9个，其余的亚基均由细胞核编码并在细胞质中合成。
现有的研究资料表明，线粒体和叶绿体的生命活动均需要数以千计的核基因参与。这个数字充分说明了线粒体和叶绿体对细胞核的依赖。细胞核编码的基因产物在细胞质中合成后，需要被准确地定向运输到叶绿体和线粒体(参见第六章)。
(三)线粒体、叶绿体基因组与细胞核的关系
上面的内容说明线粒体和叶绿体的生命活动受到细胞核以及它们自身基因组的双重调控。这就要求不同的基因表达调控机制以及表达产物分子之间形成精确的协作关系。简而喻之，如果线粒体和叶绿体中的某种酶复合物被看作一台机器的话，这台机器的“国产部件”(细胞器自身编码和合成的多肽亚基)和“进口部件”(细胞核编码的亚基)之间必须形成数量和质量上的完好匹配，才能保证线粒体和叶绿体生命活动的有效运行。在真核生物的演化过程中，细胞核与线粒体、叶绿体之间通过“协同演化”( (coevolution)的方式建立了精确有效的分子协作机制。
在真核细胞中，细胞核与线粒体、叶绿体之间在遗传信息和基因表达调控等层次上建立的分子协作机制被称为核质互作( nuclear- cytoplasmic interaction)。有序的核质互作为线粒体、叶绿体以及真核细胞的生命活动提供了必要的保证。当核质互作相关的细胞核或线粒体、叶绿体基因单方面发生突变，引起细胞中的分子协作机制出现严重障碍时，细胞或真核生物个体通常会表现出一些异常的表型。这类表型背后的分子机制被统称为核质冲突( nuclear- cytoplasmic incompatibility，， nuclear- cvto das smic confict
在自然界中，核质冲突的表型并不罕见。人类线粒体疾病的本质就是一类典型的核质冲突。人类的线粒体病多为母系遗传，说明其中核质冲突的直接原因更多地来源于线粒体基因的突变。这些基因突变可能造成其编码亚基的构型发生变化，无法与细胞核编码的其他亚基组装成具有正常功能的蛋白质复合体，导致线粒体功能丧失。
另一个值得注意的现象是，在线粒体和叶绿体的基因表达过程中，一些基因中的个别碱基需要接受必要的修饰方可翻译出正确的蛋白质。这种修饰在rna水平上进行，称为RNA编辑( RNA editing)。RNA编辑改变RNA分子上的碱基，因此会带来表达产物蛋白质上氨基酸的变化。在高等植物中，将碱基C转换为U的编辑(C-to- U editing)最为普遍，叶绿体基因组中通常有40~50个碱基，而线粒体基因组则有400~500个碱基受到编辑。当某些基因转录的RNA编辑出现障碍时，细胞或植物会呈现类似核质冲突的表型(图7-25)。这个现象暗示RNA编辑有可能是真核细胞为有效消除核质冲突而获得的一种分子机制。
综上所述，在真核生物的形成和进化过程中，细胞核基因组与线粒体、叶绿体基因组之间经历了长期的磨合”，形成了上述既互相依赖又相互制约的核质互作关系。这种磨合式的共进化在不同类别的真核生物之间既体现出了共性，也表现出一些差别。比如，动物、酵母、脉孢菌和植物的 mtDNA在分子大小上存在较大差异，但它们在编码复合物Ⅲ中的细胞色素b、复合物Ⅳ的亚基1、2和3以及ATP合酶(F)的亚基6和8上具有完全的一致性(表7-1)。此外，脉孢菌和植物的线粒体基因组编码复合物I中的6个亚基；而酵母中的这些亚基则全部由细胞核编码等(详见表7-1)。细胞核与线粒体、叶绿体基因组的编码内容反映不同类别真核生物的核质互作状态以及这些生物之间的演化关系，值得仔细品味。
二、线粒体和叶绿体的起源
由于线粒体和叶绿体具有独特的半自主性并与细胞核建立了复杂而协调的互作关系，它们的起源一直以来多被认为有别于其他细胞器。在人们为这两种细胞器设计的起源假说中，内共生起源学说很好地贴合了线粒体和叶绿体的半自主性和核质关系特征，因而得到了广泛的认可和支持。 内共生起源学说认为，线粒体和叶绿体分别起源于原始真核细胞内共生的行有氧呼吸的细菌和行光能自养的蓝细菌。该假说的提出远早于 mtDNA和 I cpDNA的发现。其中叶绿体的内共生起源假说见于1905年，由K. Mereschkowsky提出；而线粒体的类似起源假说见于918和1922年，分别由P. Porter和i.e. Wallin提出。随着人们对真核细胞超微结构、线粒体和叶绿体DNA及其编码机制的认识，内共生起源学说的内涵得到了进步充实。
1970年，. Margulis在已有的资料基础上提出了种更为细致的设想。该设想认为，真核细胞的祖先是种体积较大、不需氧具有吞噬能力的细胞，通过糖酵解获取能量。而线粒体的祖先则是一种革兰氏阴性菌，具备三羧酸循环所需的酶和电子传递链系统，可利用氧气把糖酵解的产物丙酮酸进一步分解，获得比酵解更多的能量。当这种细菌被原始真核细胞吞噬后，即与宿主细胞间形成互利的共生关系：原始真核细胞利用这种细菌获得更充分的能量，而这种细菌则从宿主细胞获得更适宜的生存环境。与此类似，叶绿体的祖先可能是原核生物蓝细菌( cyanobacteria)。当这种蓝细菌被原始真核细胞摄入后，为宿主细胞进行光合作用，而宿主细胞则为其提供生存条件。
线粒体和叶绿体的内共生学说先后得到了大量的生物学研究证据的支持。特别是近期的分子生物学和生物信息学的研究发现真核细胞的细胞核中存在大量原本可能属于呼吸细菌或蓝细菌的遗传信息，说明最初的呼吸细菌和蓝细菌的大部分基因组在漫长的协同演化过程中发生了向细胞核的转移。这种转移极大地消弱了线粒体和叶绿体的自主性，建立起稳定、协调的核质互作关系。除遗传信息转移之外，线粒体和叶绿体内共生起源学说还得到如下主要论据的支持。
(1)基因组与细菌基因组具有明显的相似性线粒体和叶绿体具有细菌基因组的典型特征。它们均为单条环状双链DNA分子，不含5-甲基胞嘧啶，无组蛋白结合并能进行独立的复制和转录。此外，在碱基比例、核苷酸序列和基因结构特征等方面，线粒体和叶绿体基因组也与细胞核基因组表现出显著差异，而与原核生物极为相似。同时，线粒体和叶绿体具有自身的DNA聚合酶及RNA聚合酶，能独立复制和转录自己的RNA。其mRNA、rRNA的沉降系数与细菌的类似。
(2)具备独立、完整的蛋白质合成系统线粒体和叶绿体的蛋白质合成机制类似于细菌，而有别于真核生物：①与细菌一样，线粒体和叶绿体中的蛋白质合成从N-甲酰甲硫氨酸开始，而真核细胞中的蛋白质合成从甲硫氨酸开始。②线粒体和叶绿体的核糖体较小于
真核生物的80S核糖体。例如，动物细胞线粒体的核糖体为50S~60S，真菌线粒体的核糖体为70S~74S，而叶绿体的核糖体为70S。③线粒体、叶绿体和原核生物的核糖体中只有5SRNA，而不少真核细胞的核糖体中存在5.88rRNA。④线粒体中的蛋白质合成因子具有原核生物核糖体的识别特异性，其功能可部分地被细菌的蛋白质合成因子取代，但线粒体的蛋白质合成因子不能只别细胞质核糖体。⑤线粒体核糖体与线粒体mRNA形成多核糖体。⑥叶绿体tRNA和氨酰邙RNA合成酶通常可与细菌相应的酶交叉识别，而不与细胞质中相应的酶形成交叉识别。⑦叶绿体的核糖体小亚基可与大肠杆菌的核糖体大亚基组合，形成有功能的杂合核糖体。
⑧线粒体和叶绿体核糖体上的蛋白质合成被氯霉素四环素抑制，而抑制真核生物核糖体上蛋白质合成的放线酮对它们无抑制作用。⑨线粒体RNA聚合酶可被原核细胞RNA聚合酶的抑制剂(如利福霉素)所抑制，但不被真核细胞RNA聚合酶的抑制剂(如放线菌素D)所抑制等。
(3)分裂方式与细菌相似线粒体和叶绿体均以缢裂的方式分裂增殖，类似于细菌。
(4)膜的特性线粒体、叶绿体的内膜和外膜存在明显的性质和成分差异。外膜与真核细胞的内膜系统具有性质上的相似性，可与内质网和高尔基体膜融合沟通；而它们的内膜则与细菌质膜相似，内陷折叠形成细菌的间体、线粒体的嵴和叶绿体的类囊体。在膜的化学成分上，线粒体和叶绿体内膜的蛋白质/脂质比远大于外膜，接近于细菌质膜的成分。这些特性都暗示线粒体和叶绿体的内膜起源于其最初的共生体(呼吸细菌和蓝细菌)的质膜，而外膜则来源于它们的宿主(共生体进入宿主细胞时包被形成)。
(5)其他佐证线粒体的磷脂成分、呼吸类型和Cytc的初级结构均与反硝化副球菌或紫色非硫光合细菌非常接近，暗示线粒体的祖先可能是这两种菌中的一种。
自然界中存在的胞内共生蓝藻(蓝小体)表现出了基因片段转移等内共生形成叶绿体的行为特征，为真核生物形成的内共生说提供了“活化石”性的佐证。
近年来，真核细胞线粒体和叶绿体的内共生起源学说得到了越来越多的研究证据的支持，使得非内共生起源学说( non-endosymbiosis theory)逐渐淡出了人们的视野。作为另一种假说，非内共生起源学说由T.Uzll等于1974年提出，认为真核细胞的前身可能是一种体积较大的好氧细菌。其细胞膜通过内陷、扩张和分化逐渐发展成了线粒体、叶绿体和其他细胞器，继而细胞演化为真核细胞。
