畜產遺傳資源：種豬粒線體基因
95/09/05
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顏念慈｜
行政院農業委員會畜產試驗所
生物組成的最小單位是細胞，動物細胞的構造則分成細胞膜、細胞質及細胞核。細胞質內有各種胞器，而粒線體是真核生物細胞質內的胞器之一，具有外膜系統的結構，負責提供細胞能量，是細胞的發電廠。粒線體可提供組織、器官及全身活動時所需能量的90％。動物細胞粒線體擁有自己的遺傳物質，稱為粒線體DNA，與細胞核內的基因組DNA各有職司的任務。
豬基因組DNA
核苷酸是由一個磷酸根、一個五碳醣和一個鹼基所組成。許多核苷酸組合成一長條，就是去氧核醣核酸（DNA）分子，包含腺嘌呤（A）、鳥糞嘌呤（G）、胞嘧啶（C）及胸腺嘧啶（T）4種鹼基，而核醣核酸（RNA） 的組成則是腺嘌呤、鳥糞嘌呤、胞嘧啶及尿嘧啶（U）4種鹼基。
生物細胞核就是由DNA及組蛋白（histon）兩種化學物質所組成，組蛋白是球狀結構，DNA則是雙螺旋結構。DNA纏繞在組蛋白上，再堆疊纏繞成染色體，染色體承載著生物體內所有遺傳物質，所有染色體則構成生物的基因組（genome ）DNA。
基因是一段可以表現的DNA序列，經由轉錄可形成mRNA，然後再經轉譯形成胺基酸。由這段DNA完整序列所產生的胺基酸，可組成對生物體有功能的蛋白質。這樣一段可以表現的DNA序列，在基因組DNA也稱為外顯子（exon ）。另外在真核細胞染色體上有時會插有不會表現的DNA序列，稱為內含子（intron），可能與基因的調節有關。
豬的基因組是由19對染色體，含18對體染色體與1對性染色體，所組成的完整基因組合。這套基因組是雙股螺旋結構，採用4個英文字母A、T、C及G 來組合，通常A－T或C－G配對成一鹼基對（base pair, bp），豬的基因組DNA總計包含30億個鹼基對。
豬粒線體基因的組成
家畜禽粒線體DNA序列具高度同源性且大小相近，並且無蛋白質附著於上，是一雙股環狀螺旋分子構造，長度約為1萬6千到1萬8千個鹼基對。豬粒線體DNA的序列已全部被定序出來，其雙股DNA分別稱為H－股及L－股DNA，包含13個可轉譯為蛋白質的mRNA、2個核蛋白核醣核酸、22個tRNA基因和可進行RNA複製與轉錄起點的一段D－環區域。
大多數細胞中都有上百個以上的粒線體，但只有1組基因組DNA ，因此在等量的樣品中，粒線體的DNA更容易被放大和使用。粒線體DNA因為沒有組蛋白保護，相對於染色體的DNA，演變快了許多，因此累積了更多的資訊可以用來鑑定物種。
粒線體DNA沒有介於表現序列之間的DNA內含子序列，因此可直接複製。粒線體DNA遠小於細胞核DNA，僅存在於細胞質的粒線體內。粒線體內有很高的複製數量，例如在家畜禽的細胞內有5千至1萬個粒線體DNA，都經由母系遺傳。
由於粒線體DNA在複製過程中缺乏修補能力，發生單一鹼基突變及長度突變的機率較高，若經長時間的累積會超越其他物種演化的速率。因此利用粒線體DNA特高的演化速率，可探討同一家畜禽族群間或族群內的歧異度，以及各家畜禽間的親緣與演化上的關係。
D－環區域介於可轉移脯胺酸的核醣核酸與可轉移苯丙胺酸的核醣核酸基因之間，全長約1,175個鹼基對，在這個區域中，主要的功能序列是豬粒線體DNA序列中演化最高區域，控制DNA複製與基因表現。豬 D－環區域長度不一定，原因是這個區域在711鹼基對序列後存在一段由10個鹼基對所組成的重複序列。由於多單位的重複序列會因序列間互補關係而形成柄狀結構，如此在粒線體複製時可能導致複製程序的失誤，而使這個重複序列逢機存在。
如同其他哺乳類動物基因組一樣，豬的粒線體DNA遺傳密碼與細胞核基因組DNA中使用者略有差異。在豬粒線體22個tRNA基因密碼子中，UGA譯碼成色胺酸而非終止密碼，AUA譯碼成甲硫胺酸而非異白胺酸，而AGA及AGG則是終止密碼而非精胺酸。豬粒線體基因組中有11個胺基酸譯碼基因的起始胺基酸是甲硫胺酸，它們分別譯碼自9個AUG及2個AUA密碼子，然而ND2及ND4L基因卻分別以AUU（譯碼為異白胺酸）及GUG（譯碼為纈胺酸）為起始密碼。
豬粒線體基因組中有6個及2個基因分別以UAA與UAG為終止密碼，Cyto b基因是以AGA為終止密碼。COⅡ、 COⅢ、ND1-6及ND4等4個基因則是以不完全終止密碼UNN為結束。
基因的分生多態性
單股構形多態性 在電泳條件下，片段大小相似的DNA在雙股狀態時，泳動速率一致，不易區別。但在單股狀態時，因序列不同會導致摺疊結構改變，因此可利用其電泳速率的差異來分離片段，染色後形成多態性的態樣。因為這技術非常敏感，長度在200鹼基對左右的片段中就算只改變單一鹼基也可輕易探知，因此這項技術已被廣泛應用在遺傳疾病診斷及生物演化的研究上。
例如單股構形多態性可應用在親子鑑別上。豬卵受精時只有精子頭部入卵，精子頭部主要是由細胞核和頭帽所組成，頭部前端是頭帽，頭帽內含有多種溶解酵素，細胞核中主要是染色體，因此豬受精卵的細胞質幾乎全部源自母親的卵子，子代的細胞質遺傳物質（即粒線體）是以母性遺傳方式世代沿襲而來。舉例來說，梅山豬子畜 No.2008、2006及2010的單股構形多態性是B態樣，其父畜（No.5113）及母畜（No.5008）分別是C及B態樣。同父異母的子畜No.2703、2705及2707是C態樣，其母畜 （No.7508）也是C態樣，完全符合母性遺傳。
此外，單股構形多態性可應用在臺灣現有豬種類緣關係的研究上。臺灣現有主要豬種計有8種，其中藍瑞斯、約克夏、杜洛克、漢布夏及盤克夏等5個品種源自歐美，桃園豬、小耳種蘭嶼系及梅山豬等3個品種則源自亞洲。應用單股構形多態性分生技術分析豬粒線體 DNA D－環區的多態性，可發現各豬種單股構形多態性電泳態樣分布情形。
藍瑞斯及盤克夏都是A態樣，杜洛克有A（71.2％）和B（28.8％）兩種態樣，約克夏有A（14.9％）、B（63.8％）和C（21.3％）3種態樣，桃園豬則全是D態樣，小耳種蘭嶼系有C（83.3％）與D（16.7％）兩種態樣，梅山豬有B（25.0％）和C（75.0％）兩種態樣，漢布夏有A（20％）和C（80％）兩種態樣。
品種間單股構形多態性電泳態樣頻率分布愈相似，表示類緣關係愈近。桃園豬的態樣都一樣，可推斷桃園豬系源自同一母系祖先。藍瑞斯、盤克夏及杜洛克等品種有高頻率的A態樣，因此可歸為同一類。而無A態樣的桃園豬、小耳種蘭嶼系及梅山豬等品種，則歸併於另一類。至於約克夏與漢布夏豬種，雖有A態樣但因頻率較低，應介於兩者之間。
依粒線體分析結果，可把臺灣現有豬種歸為3類。一類以歐美品種藍瑞斯、杜洛克及盤克夏豬為主，其雌親類緣關係最接近。另一類以亞洲品種桃園豬、小耳種蘭嶼系及梅山豬為主。而源自歐美品種的漢布夏與約克夏則介於中間。這個結果可供尋找豬隻共同祖先演化軌跡時的參考。
D－環區域單核苷酸多態性 單核苷酸多態性的原理是以DNA為模板，利用4種不同螢光標定的核苷酸的類似雙去氧核醣核酸做為材料，進行聚合酶連鎖反應。因為這類核苷酸類似物沒有一種特定的官能基，因此會終止DNA的複製，使得DNA合成反應部分會停在該類似物的核苷酸處，造成各種長短不一的DNA片段。再以毛細管電泳技術分離這些長短不一的DNA片段，最後透過雷射光激發，並利用CCD偵測每一片段不同螢光的組合來判讀DNA序列。
單核苷酸多態性指的是DNA序列上發生的單個核苷酸鹼基之間的置換變異，在人群中這種變異的發生頻率至少須大於1％，否則會被認為是點突變。從演化的觀點來看，單核苷酸多態性具有相當程度的穩定性，即使經過代代相傳，它的改變卻不大，因此可用來研究族群演化。
此外，單核苷酸多態性可應用在DNA條形編碼上。早在西元1949年便已發展出條形編碼，它的原理是把線條與空白按照一定的編碼規則組合起來成為獨一的數位符號，用來代表一定的字母、數字等資料。DNA條形編碼則是把具有某物種特定信息的DNA粒子附著在產品上，需要識別產品時，可使產品通過DNA譯碼機進行信息的解讀。這就像在大型超市給每個物品一個數位條碼，根據這個條碼，所有的貨物都可以清楚分類，不會造成混雜。
DNA編碼技術是應用各物種之間特定信息DNA上存在著許多的單核苷酸多態性組合，形成條形編碼中粗細不同的線條。動物粒線體DNA的演化速率相對於染色體的DNA快很多，因此常被科學家用來鑑定物種。因為子代的粒線體DNA僅遺傳自母系世代，因此由豬粒線體DNA多態性表現可追溯豬種雌親種原。若回溯商業生產場的種母豬親原，往往僅源自少數幾頭種母豬，只要分析這幾頭種母豬，歸類出具有各場特定信息的DNA，就可形成粒線體DNA的條碼以區別商業生產場的產物。
把核酸ATCG與重複序列數目化成線條與空白，按照一定的編碼規則，就可組合成DNA條碼。未來若再擴展到粒線體DNA其他區域定序，如細胞色素c氧化酶次單位I基因等，或粒線體DNA完全定序，就可延伸成一編碼資料庫。而由這個資料庫結合所建立的DNA條碼技術，可構成商業生產場豬肉產品的逆向追蹤系統，以預防產品的運輸、流通、銷售過程中可能發生的仿冒行為，有利於協助國產豬肉的品牌化。
前景
利用粒線體DNA研究物種的遺傳結構，或不同地理族群間的隔離、演化關係時，依其母性遺傳特性進而追溯不同豬種間演化遺傳的證據，已成為研究動物核外遺傳的有效工具。經由對豬粒線體基因的認識，能由種豬粒線體DNA各項分生多態性，確認雜交豬種的類緣關係，並了解各豬種的演化過程。解開了複雜的生物系統運作，進而應用於優良種母豬基因選殖，並加以重組，將可育成優良新品種的種豬。
另一方面，有學者認為粒線體DNA的突變，可能是人類老化及退化性疾病發生的主要原因。未來若想解開人類生命的奧祕，必須找出功能性的粒線體DNA，這則有賴於進一步的基因體學與蛋白質體學研究。
