一、 前言
粒線體（mitochondria）為真核生物細胞中的胞器之一，在細胞生理學中扮演很重要的角色，主要功能是藉由粒線體內膜上的5組酵素複合體來進行氧化磷酸化反應（oxidative phosphorylation），藉由電子傳遞鏈來產生能量。粒線體本身含有一套獨立的核酸遺傳物質，有別於細胞核內構成染色體的核DNA（nuclear DNA；nDNA），稱為粒腺體DNA（mitochondrial DNA；mtDNA）；而mtDNA所構成的基因組，則稱為粒腺體基因組（mitochondrial genome；mitogenome）（Curole and Kocher, 1999；Taanman, 1999）。Mitogenome為一雙股環狀的核酸物質（Fig. 1），不同物種間的mitogenome有著不盡相同的大小結構，脊椎動物mitogenome的DNA序列長度約為15～18 kb（Fig. 2）（Clayton, 2000；Bogenhagen and Clayton, 2003）。
Mitogenome所包含的遺傳訊息能詳實的顯現出物種的遺傳結構，因而大量的被研究生物族群與演化的學者用來分析物種親緣關係（Curole and Kocher, 1999），例如Stoneking與Soodyall於1996年對於人類演化的研究指出，比對世界各人種之mitogenome上COII與tRNALys兩基因間的9個鹼基對的刪除（deletion）與否，即可大致看出亞洲及非洲人種起源的演化差異（Fig. 3），學者並與最常用以辨識物種差異的control region基因區相比對，發現僅以此九個鹼基對作為依據的演化指標精準度頗高。針對mitogenome的研究除遺傳演化外，最普遍的即為遺傳疾病的探討；因mitogenome上所有基因表現產物皆與氧化磷酸化的能量生成相關，因此在身體各部位若因遺傳或突變造成mitogenome的變異，皆可能有不同病變產生（Table 1）（Chinnery and Turnbull, 2000）。
二、 mitogenome之基因組成
環狀的mtDNA組成形態較單純，不像nuclear DNA有複雜的intron或pseudogene；大部分多細胞生物的mitogenome皆由37個基因所構成，包括2個rRNA基因、22個的tRNA基因與13個mRNA基因，除此之外mitogenome上還有一個control region，因其為mitogenome的複製起始區，常以雙股分開的loop型態存在而又稱作D-loop（displacement loop）區（Fig. 4）。Control region主要的功能為調控整個mitogenome的複製（replication）與轉錄（transcription），上面包含了H-strand複製的起始點OH，以及3個轉錄的promoter區L、H1與H2，還有很多調控因子的複合區域（Fig. 5）（Taanman, 1999；Garesse and Vallejo, 2001）。
mtDNA依照GC鹼基組成的不同，分成H-strand與L-strand兩條鹼基互補的核酸序列；而大部分基因均位於H-strand上，包括12S與16S兩個ribosomal RNA（rRNA）基因、12個mRNA基因分別為Cyt b（cytochrome b gene）、ND1（NADH dehydrogenase component subunit 1 gene）、ND2、ND3、ND4、ND4L、ND5、ATPase6（ATP synthase subunit 6 gene）、ATPase8、COI（cytochrome c oxidase subunit I gene）、COII、COIII，與14個紀錄胺基酸密碼的tRNA基因；L-strand上的基因則僅有1個ND6 mRNA基因與8個tRNA基因（Fig. 6）（Taanman, 1999；Leonard and Schapira, 2000）。
13個mRNA之基因表現產物，皆構成氧化磷酸化反應的酵素複合體（complex）。ND1～6與ND4L等7個表現蛋白與約35個nDNA基因產物組成Complex I（即NADH: Ubiquinone oxidoreductase）；Cyt b與nDNA的10個表現蛋白構成Complex III（即Cytochrome c oxidoreductase）；COI～III 3個蛋白與10個nDNA表現蛋白形成Complex IV（即Cytochrome c oxidase）；ATPase6、ATPase8兩表現蛋白則與約14個nDNA的基因產物構成Complex V（即ATP synthase）（Fig. 7）（Leonard and Schapira, 2000；Schon, 2000）。
三、 mitogenome之遺傳特性
（一）演化過程無重組（recombination）
一個正常的多細胞生物，每個體細胞內約有500～1000個粒線體，在卵細胞中的含量則達104～105之多，而精子除了細胞內的粒線體外，尾部也由數十個粒腺體以螺旋型態附著組成（Fig. 8）（Bromham et al., 2003）。哺乳類的精卵在授精過程中，精子攜帶了高達100個左右的父系（paternal）粒線體進入卵子，但於接合子（zygote）階段即被完全分解，因其上帶有蛋白分解標記物質ubiquitin，幾乎所有多細胞生物都有類似的父系粒腺體破壞機制；然而有極少數的mitogenome重組情形，曾在某些二枚貝（bivalve）類物種中被發現（Bromham et al., 2003）。
Rokas等（2003）提出了此罕見的粒腺體重組現象，是發生於親緣相近但物種相異的二枚貝中，因種間機制不盡相同，卵子無法辨識來自精子的粒腺體，進而讓存留其於接合子內與母系粒腺體重組並發育成胚胎；而若此雜交後代的卵細胞可以生存並能維持生殖能力，則可將這個新的mitogenome持續帶到下一代（Fig. 9）。目前除了此特殊例子之外，動物界並未發現其他物種的mtDNA有重組的情形，所有脊椎類動物的mitogenome皆為單向的母系遺傳（maternal inheritance）。
（二）重排（rearrangement）機率高
多數研究均指出mtDNA的演化變異度大於nDNA；推測除了因其鹼基間容易發生置換（substitution）的情形外，亦與mtDNA的環狀構形在replication過程中易產生重排（rearrangement）有關（Curole and Kocher, 1999）。一般脊椎動物的mtDNA雙股複製反應分別源於OH與OL兩區，OH位於D-loop的L-strand上，為整個replication作用的起始點；而OL則位於ND2及COI兩基因間，當H-strand複製至此將雙股打開才開始複製L-strand，最後兩股經由接合作用產生獨立的mitogenome（Fig. 10）（Taanman, 1999；Clayton, 2000）。
Boore與Brown（1998）針對有袋類動物（marsupials）ND2及COI兩基因間的OL region上5組胺基酸序列變異的分析指出，原本脊索動物的此段序列組成應為W-A-N-C-Y，在有袋類（marsupials）卻因複製後修飾之酵素刪除了錯誤的片段，將序列變成A-C-W-N-Y而在演化上產生rearrangement的變異（Fig. 11）；此外海參綱（Holothuroidea）物種也有類似的情形，但置換的情況更為複雜（Fig. 12）。Boore與Brown亦進一步提出其他可能造成rearrangement的情況，包括因mispair造成序列的多出，以及複製起點（origin）與終點（termination）因重組移位而造成複製長度的錯誤（Fig. 13）；學者認為這些造成rearrangement的假設若成立，則可解釋演化上動物mtDNA快速變異的原因，尤其是插入（insertion）、刪除（deletion）與重複序列（respected sequence）的情形，但仍無法解釋所有移位（transposition）以及倒轉（inversion）的情形。
（三）易產生鹼基置換（substitution）
mtDNA位於粒線體內膜，易受氧化磷酸化反應之影響，被ROS（reactive oxygen species）自由基撞擊造成氧化損傷（oxidative damage）而產生點突變；進而若經由遺傳過程將變異保留，即形成鹼基substitution的情形（Fig. 14）（Mandavilli et al., 2002）。
許多研究證實mitogenome上調控整個基因組的control region，在物種演化上的變異度較其他基因序列高出許多，推測可能的因素為未紀錄（noncoding）基因密碼，發生substitution機率較高（Stoneking and Soodyall, 1996；Tamura, 2000）。在Tamura學者（2000）針對包括亞洲、歐洲與非洲人類mitogenome control region研究中，詳加比對20組完整control region序列，並統計鹼基在D-loop及non-D-loop上的置換情形，發現transversion置換非常少見，大多為transition的置換（即同為purine的A/G置換及同為pyrimidine的T/C置換），而其中又以在D-loop區上T/C（pyrimidine）的置換率為最高（Fig. 15）。在D-loop上中心保留區（positions 340-750）鹼基組成的分布比例並無規則性（Fig. 16B），但transition的情形則明顯較低（Fig. 16A），Tamura指出，此段區域保留性較整個control region高是因其具有許多重要的調節功能。
另外在一對鮪類種系相關性的研究中，採用control region上一段約450 bp長的序列，來對8個鮪屬（Thunnus）魚種與3個易混淆的其他魚種共46個體（Table 2）作交互分析，發現其中共有186個有差異性的鹼基（Fig. 17）且大多為單一鹼基的置換，少有較長的片段變異；進一步分析8個Thunnus魚種置換鹼基的transition/transversion（s/v）比例，則發現除Southern bluefin外，種內transition發生率皆遠高於transversion，而種間則無特定s/v比例（Table 3）（Bremer et al., 1997）。由以上例證可了解mitogenome上D-loop無論在種間或種內皆有一定程度的鹼基substitution變異，但於種內大多為transition的置換，種間則無特定的置換模式。
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