线粒体（mitochondrium，Mt）是真核细胞中一个非常重要的细胞器，是细胞的动力工厂，为细胞的运动、收缩、生物合成、主动运输、信号传导等耗能过程提供能源。它把食物中所含的化学能通过氧化磷酸化转变为有高能磷酸键的ATP。1963年Nass等首次在鸡卵母细胞中发现线粒体中存在DNA，表明线粒体中有遗传信息，Schatz于同年分离到完整的线粒体DNA（mitochondrial DNA，mtDNA），1981年Anderson等人测定了人类线粒体DNA全长核苷酸顺序。1987年Wallace等通过对线粒体DNA突变和Leber病之间关系的研究，明确提出线粒体DNA突变可导致人类疾病——线粒体病，形成医学遗传学研究的新领域。
线粒体是真核细胞核外唯一含有DNA的细胞器。人类线粒体DNA分子长度16 569bp。绝大多数真核细胞的线粒体DNA是双链环状分子，不同类型生物的线粒体DNA分子大小略有差异。同其他的双链DNA分子一样，线粒体DNA的两条单链分子量有差别，这是由于它们所含的碱基成分不同造成的。其中外环含鸟嘌呤较多，含胞嘧啶较少的链分子量较大，称为重链（heavy strand），简称H链；内环含鸟嘌呤较少，含胞嘧啶较多，故分子量较小，称为轻链（light strand），简称L链。两条链的转录物在CsCl中的密度各不相同。
人类线粒体DNA编码为2种rRNA（12S和16S）、22种tRNA、13种蛋白质。线粒体基因组编码的13种蛋白质在线粒体基质中翻译，并参与氧化磷酸化过程，与核基因编码的其他70种蛋白质共同组成氧化磷酸化系统。此外，大约有1 000种线粒体蛋白用于启动复制、转录和翻译、促进各种物质通过线粒体膜的转运，以及脂肪酸和丙酮酸盐的代谢等。所以说线粒体是2种不同遗传系统的共同产物。13种蛋白质亚基都是电子传递链和氧化磷酸化装置的重要成分。它们包括NADH脱氢酶复合体（即NADH CoQ氧化还原酶或复合体Ⅰ）中的7个亚基、细胞色素C氧化酶中的3个亚基、细胞色素B、以及ATP酶复合体F0因子的2个亚基（图11-1）。这些基因分别由线粒体DNA的两条互补链编码，其中H链编码的基因占大多数，包括2种rRNA、14种tRNA、12种蛋白质亚基。其余的基因由L链编码。MtDNA无内含子，唯一的非编码区是约1 000bp的D环，它包含mtDNA重链复制起始点、轻重链转录的启动子和4个高度保守的序列，分别位于213～235bp、299～315bp、346～363bp以及终止区15 147～16 172bp。
图11-1 人类线粒体基因组
最外圈为重链转录本ND：NADH CoQ还原酶复合物
与核DNA相比，mtDNA具有以下特点。
1．mtDNA中各基因均不含有内含子，排列紧凑，部分区域甚至有重叠。因此，任何部位的突变均可累及基因组中的一个重要功能区。
2．mtDNA分子上无核苷酸结合蛋白，缺少组蛋白的保护，突变频率高于核DNA，而且缺乏DNA修复系统，不能修复已形成的突变。这就是mtDNA易于发生突变并容易得到保存的分子基础。
3．mtDNA所用的遗传密码与通用密码不同，mtDNA中的UGA编码色氨酸，而非终止信号。tRNA兼用性较强，仅用22个tRNA来识别多达48个密码子。如果要将一个正常的外源mtDNA基因导入或整合入核基因中时，首先要考虑修改DNA序列，以应对不同的遗传密码系统。
4．mtDNA的转录是两条链都被完全转录，称全长对称转录。而核DNA只以双链中的一条作为模板进行转录，称不对称转录。
5．mtDNA具有母系遗传的特征，因为线粒体存在于细胞质中，故母亲通过卵细胞的胞质将mtDNA分别传给儿子和女儿，但只有女儿才能把mtDNA再传给后代。因此，如果家系中发现一些成员具有相同的临床症状，并且是从受累的女性传递下来，而不是由受累男性传递时，就应考虑可能是由于mtDNA突变造成的。通过对mtDNA的序列分析可以确定是哪一种类型的基因突变。
6．mtDNA具有半自主性。线粒体有自己的DNA及其复制、转录、翻译、加工的一套装置，具有独立编码、合成蛋白质的能力；但mtDNA只编码少量线粒体蛋白质，大多数蛋白质还是由核DNA编码，线粒体基因的复制与表达所需的许多酶，也是由核DNA所提供的，所以又在一定程度上受到细胞核基因的控制，因此，线粒体具有半自主性。
7．mtDNA在有丝分裂和减数分裂期间都要经过复制分离。虽然一个人的卵母细胞大约有105个线粒体，但是当卵母细胞成熟时，绝大多数线粒体会丧失，数目可能会少于10个。此后，经过胚胎细胞前期分裂，繁殖的线粒体会达到每个细胞含有104个或更多。
8．突变和正常mtDNA共同存在于一个细胞中。含突变mtDNA的细胞，其表现程度取决于突变mtDNA在整个细胞中所占的比例，即存在突变mtDNA的“阈值”效应。当突变线粒体占总线粒体的比值低于某一数值时，细胞功能不受影响，超过该数值时才可能影响细胞功能，导致疾病。此外，还取决于该细胞对线粒体功能的依赖程度，不同组织器官对线粒体供给能量的依赖程度由高到低依次为：中枢神经系统、骨骼肌、心脏、肾和肝。
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