酵母线粒体基因组进化：一个全面的视角

作者： Kelle C. Freel、Anne Friedrich 与 Joseph Schacherer（通讯作者） 单位： 法国斯特拉斯堡大学/法国国家科学研究中心（CNRS），UMR7156 遗传学、基因组学与微生物学系 发表： *FEMS Yeast Research*，2015 年，第 15 卷，fov023

本文是一篇关于酵母线粒体基因组学（mitogenomics）研究现状的综述（minireview）。文章系统总结了酵母——尤其是 Saccharomycotina（酵母菌亚门）——线粒体基因组在内容、组织、结构与进化方面的多样性，并对该领域已有数据与主要发现进行了整合分析。作者团队来自法国斯特拉斯堡大学，长期从事酵母比较基因组学与群体基因组学研究。该综述发表于 *FEMS Yeast Research*，是酵母研究领域的权威期刊之一。

一、论文的主要观点之一：酵母是线粒体比较基因组学与群体基因组学的理想模式体系

文章指出，线粒体在细胞能量产生、细胞凋亡以及活性氧（reactive oxygen species, ROS）生成等过程中发挥核心作用。线粒体拥有自身基因组（mtDNA），但其所编码的基因不足以独立完成氧化磷酸化（oxidative phosphorylation, OXPHOS），很多关键组分已转移至核基因组或在进化中丢失。酵母——特别是 *Saccharomyces cerevisiae*（酿酒酵母）——因易于实验室操作、mtDNA 可发生双亲遗传以及存在“小菌落”（petite）突变体等特点，长期以来是线粒体研究的模式生物。然而，作者强调，酿酒酵母并不代表所有酵母谱系。自 1995 年第一个 Saccharomycotina 物种 Wickerhamomyces canadensis 的线粒体基因组被测序以来，至文章发表时已有 81 个酵母物种的线粒体基因组公开可用。这些数据覆盖了广泛的酵母谱系，为研究线粒体基因组的进化提供了重要基础。

作者进一步论证，对非模式酵母属种的研究可以揭示氧化磷酸化通路中基因重复与功能分化的普遍性。例如，对 Saccharomycotina 与 Pezizomycotina（盘菌亚门）线粒体核糖体蛋白的比较显示两者差异显著。此外，曲霉属和青霉属等具有医学和工业重要性的真菌，其线粒体基因组中还发现携带核糖体蛋白的开放阅读框（ORF）的内含子、与衰老相关的质粒以及多样的基因间区。这些发现表明，线粒体基因组的附属基因（accessory genes）可能通过水平基因转移和内含子归巢等机制发生重排。

二、论文的主要观点之二：线粒体基因含量相对保守，但系统发育信号与核基因组并不完全一致

酵母线粒体基因组通常编码 30–40 个基因，包括蛋白质编码基因、小亚基 rRNA（rns）、大亚基 rRNA（rnl）以及约 24 个 tRNA 基因。所有酵母线粒体基因组共有的核心编码基因为 ATP 合酶亚基（*atp6*、*atp8*、*atp9*）、细胞色素 c 氧化酶亚基（*cox1*、*cox2*、*cox3*）以及脱辅基细胞色素 b（*cob*）。此外，部分物种还含有 NADH：泛醌氧化还原酶亚基（nad1-6 和 *nad4L*）以及核糖体蛋白基因 var1 和 RNase P 的 RNA 亚基基因 *rpm1*。作者指出，var1 与 nadh 基因的存在与否与主要系统发育分支基本一致。例如，var1 在 CTG 分支（即遗传密码发生偏离、CUG 编码丝氨酸的酵母类群）中完全丢失；而 nadh 基因在 Saccharomycetaceae 中全部缺失，表明其丢失发生在该谱系早期进化中。

文章还构建了基于七个核心蛋白编码基因（*atp6*、*atp8*、*atp9*、*cob*、*cox1*、*cox2*、*cox3*）串联序列的系统发育树。结果显示，总体上该树与基于核基因组的物种关系一致，但存在明显不一致之处。例如，Dekkera 分支在该线粒体树中位于较基部位置，而在核基因组研究中则更接近 Saccharomycetaceae；CTG 分支与 Dipodascaceae 的位置在两类树中几乎颠倒。这些矛盾说明线粒体 DNA 与核 DNA 具有不同的进化历史，物种分化是两类基因组共同分化的产物。作者据此认为，线粒体基因虽然是常用的系统发育标记，但在解析物种关系时需谨慎对待其与核基因组系统发育的不一致性。

三、论文的主要观点之三：线粒体基因组大小变异主要由基因间区驱动，内含子贡献较小

尽管基因含量高度保守，酵母线粒体基因组大小却差异巨大，从 Hanseniaspora uvarum 的约 18.5 kb 到 Nakaseomyces bacillisporus 的超过 105 kb 不等。作者通过分析 81 个酵母线粒体基因组数据发现，编码序列（CDS）长度与基因组大小无相关性，而基因间区（intergenic regions）是长度变异的最主要贡献因素，约可解释 90.5% 的方差（r² = 0.841）。内含子（introns）长度与基因组大小的相关性很弱（r² = 0.044），但当将基因间区与内含子长度合并计算时，相关性增强至 r² = 0.959。

基因间区在不同物种中所占比例差异极大，从 Millerozyma sorbitophila 的 7.8% 到 N. bacillisporus 的 88%。几乎所有物种的基因间区都含有重复元件，包括 AT 序列和 GC 富集簇（GC-rich clusters），后者被认为可促进 mtDNA 重组。但 Candida glabrata 例外，其基因组中缺少 GC 簇。内含子数量在 0–17 个之间，累积长度在 0 至 21 030 bp 之间。内含子分为 I 类和 II 类，I 类内含子可根据二级结构和蛋白基序进一步分为四个家族，且可作为移动元件在基因组中插入、丢失或倒位，导致种内和种间的长度差异。

四、论文的主要观点之四：线粒体基因组在基因共线性与拓扑结构上表现出复杂的种内与种间差异

作者指出，线粒体基因组大小和内含子/基因间区的活跃重排可能暗示基因顺序缺乏保守性，但实际上在部分类群中，基因共线性（synteny）极为保守。例如，在 Lachancea、Candida 和 Yarrowia 分支中，基因排列高度一致；而在 Nakaseomyces 中则存在明显重排。一些基因簇广泛保守，如 cox1-atp8-atp6 簇和 nad4L-nad5 簇。在已完成群体水平研究的物种中——例如 Lachancea kluyveri 和 *Lachancea thermotolerans*——种内线粒体基因顺序完全共线。作者认为，基因顺序的不一致可能主要由短基因间区重复序列的倒位和移动内含子活动造成，而环状基因组拓扑结构也可能促进重排。

在拓扑结构方面，线粒体 DNA 并非总是环状。酿酒酵母线粒体基因组主要以 75–150 kb 的多分散线性串联阵列形式存在。在 Candida 属中，C. parapsilosis 和 C. metapsilosis 具有线性线粒体基因组，而 C. orthopsilosis 为环状；C. albicans 则呈分支网络结构。研究还发现，这些物种的线粒体端粒（mt telomeres）组织方式基本相同，表明线性基因组可能由祖先环状基因组通过端粒的出现和端粒维持缺陷演化而来。此外，线粒体基因组拓扑会随酵母细胞生活阶段改变，芽体形成期环状分子比例升高，成熟期线性串联体比例增加，这与重组和复制机制的阶段特异性有关。

五、论文的意义与价值

本文全面总结了酵母线粒体基因组学的发展状况，明确指出酿酒酵母虽是重要的模式生物，但远不足以代表整个酵母亚门的线粒体多样性。作者通过整合 81 个物种的线粒体基因组数据，揭示了线粒体基因含量保守性与基因组大小、基因间区及拓扑结构高度变异之间的矛盾。这一综述为后续开展更广泛的种类与种内比较研究提供了理论框架，并强调了线粒体基因组在阐明基础生物学、应用微生物学及线粒体疾病机制中的重要价值。同时，作者也指出，目前种内线粒体基因组数据仍十分缺乏，未来需加强对不同物种群体水平的研究，以进一步理解线粒体基因组结构、选择压力和表型之间的复杂关系。