為什么我們仍保留線粒體DNA？

日期：2016-02-22 08:55:20

線粒體看上去像細菌，這外觀并非偽裝：它們從前是自由生活的細菌，后來大約在20億年前適應了寄生在大細胞里的生活。它們還保留了基因組的一個碎片，作為曾經獨立存在的印記。由于被我們常見的單細胞祖先消耗，這個“能源動力室”細胞器已經失去了其2000個以上的基因。仍然有少數基因留了下來，這取決于有機體，但問題是：為什么。最近，分析進化過程中線粒體基因缺失的數學家和生物學家稱，一種解釋是，線粒體DNA對于細胞核內的編碼太重要了，因此逐漸進化為可抵御線粒體內的有害環境。相關研究結果發表在2月18日的《Cell Systems》。

本文共同作者、美國Whitehead生物醫學研究所博士后Ben Williams指出：“這并不是說，‘缺失’的基因不再存在于許多情況中，而是說，細胞核產生了蛋白質，蛋白質進入線粒體，但是當你在細胞核中擁有這一切時，為何還要在線粒體中存在呢？這就像是說，你有一所中心圖書館，所有的書都在里面，但我們卻打算將一部分書保存在一個漏水的小屋中。”

盡管我們與線粒體有著長期的關系，但是，我們的細胞和很多這些共生細胞器是如何共同工作的？仍然是神秘的和有爭議的。我們知道，線粒體的獲得，通過給真核細胞（我們的生命界）的共同祖先供以能量以讓它們多細胞化，可能引發了歷史上一個最重要的進化事件。我們知道，我們每個細胞都可能擁有幾十個或數百個線粒體，這對于“為一切事物（從肌肉到大腦）提供能量”是必不可少的。但奇怪的是，在幾乎所有的多細胞生物體中，線粒體通過控制一些重要基因而保持獨立——盡管對于細胞來說，這比把這些基因儲存在細胞核中更為安全。

為了弄清“是什么使得線粒體中的一些基因如此重要？”，Williams和通訊作者、伯明翰大學的研究員Iain Johnston，把產生的關于線粒體基因的所有數據丟進電腦。幾個星期后，采用Johnston開發的算法，計算機得出了進化史上線粒體基因缺失的時間線。

Johnston說：“線粒體保存它們自己的基因，對其潛在的原因，已經討論了幾十年，這是第一次用數據驅動的方法來解決這個問題。一個事實發揮了促進作用，即，有成千上萬的線粒體基因組來自于一組非常廣泛的可用類群，現在我們可以利用這些數據，讓它為自己說話。”

分析顯示，在線粒體中保留的基因，與構建細胞器的內部結構有關，否則，就處于被細胞錯放的危險當中，這些基因中的DNA利用了一種非常古老的模式，可讓線粒體DNA緊密結合在一起，并不易于分開。Williams和Johnston認為，這種設計通常存在于我們自己的DNA中，很可能在線粒體能量生產過程中阻止線粒體基因的分離。

隨著能量以ATP的形式在線粒體內產生，自由基被釋放出來——相同的自由基，是輻射的一種常見副產物。在本質上，由線粒體產生的動力伴隨著一定的破壞，有可能是，線粒體能夠抵擋這樣的損傷。

研究人員還發現，發生在真核生物界的線粒體基因缺失，是遵循著相同的模式。這是一個教訓：進化可能多次遵循相同的路徑，并不是總是這樣完全隨機的過程。在細胞環境中，線粒體基因演變的損失，在不同的生物體之間是幾乎可以預見的。Johnston說：“如果我們能夠利用進化在過去已經完成的數據，并對它會去哪里作出預測陳述，那么，探索合成生物學和疾病的可能性將是巨大的。”

利用他們的算法，兩人計劃更進一步地探索葉綠體，以及線粒體疾病（這往往是非常毀滅性的）。雖然這項研究并沒有解決為什么我們仍然有線粒體DNA，但是作者說，它確實為許多有爭議的論點，找到了一個折衷點。

在去年7月份，《PNAS》發表的一項論文，也就“線粒體為什么保留自身基因組”這個問題進行了探討。一項國際合作研究產生了一個有趣的假說：線粒體基因組編碼疏水膜蛋白，如果它是在細胞核中編碼，就會被信號識別顆粒（SRP）過濾，并被錯誤地引入內質網中。而在更早些時候，更是有學者顛覆了當前的線粒體起源理論，弗吉尼亞大學研究人員開展的一項研究，使用新一代DNA測序技術，解碼了18種線粒體近緣細菌的基因組，表明寄生菌是給細胞供給能量的線粒體的第一代表親，在它們變成有益之前，首先充當這些細胞中的能量寄生蟲，相關研究發表在2014年10月份的《PLOS One》雜志。而在今年伊始，一個國際科學家小組在《EMBO Journal》發表的一項研究首次發現，線粒體——細胞的發電廠，對于衰老來說是必不可少的，從而引起了學術界的廣泛關注。