為什么我們還保留線粒體DNA？決定生存太重要

　　3月8日消息，線粒體早已不是最初誕生時——大約20億年前——的細菌模樣了。在被生物共同的單細胞祖先攝食之后，直到現在，這種被稱為“能量工廠”的細胞器已經丟失了原本2000多個基因中的大部分，很可能是轉移到了細胞核內。依然有一些線粒體基因保留了下來，數量取決于物種的不同。問題在于，為什么還要保留這些基因呢？一位數學家兼生物學家對線粒體在演化過程中基因的丟失進行了分析，他提出了一個解釋，即線粒體DNA太過重要，以至于不能被整合到細胞核中，它們也因此演化出對抗線粒體內部有害環境的能力。相關研究的結果發表在2月18日的《細胞系統》(Cell Systems)雜志上。

　　“在許多情況下，‘丟失’的基因并不是不再存在了，而是細胞核制造了蛋白質，這些蛋白質再運送到線粒體內，但是，當你可以在細胞核里完成這一切的時候，為什么還要在線粒體也保留著呢？”共同作者、懷特黑德生物醫學研究所(Whitehead Institute for Biomedical Research)的博士后研究人員本·威廉姆斯(Ben Williams)說，“就好比說你有一個中心圖書館，可以把你所有的書都放在里面，但我們還要把其中10本書放到一個不太嚴實的小庫房里。”

　　盡管我們與線粒體之間的共存歷史已經相當久遠，但還有許多關于細胞與這些共生細胞器如何共存、如何工作的問題依然沒有答案，而且充滿爭議。我們知道，獲得線粒體是生物演化歷史上最為重要的事件，因為真核生物的共同祖先因此獲得了能量，從而演化成多細胞生物。我們還知道，我們身體的每一個細胞能擁有數十個，甚至數百個線粒體，它們是我們生存的關鍵，能夠為肌肉、大腦等各個組織、器官供應能量。但奇怪的是，在幾乎所有多細胞生物中，線粒體一直通過掌握少數關鍵基因而保持著獨立的狀態，盡管把這些基因保存在細胞核里看上去更安全一些。

　　為了確定少數基因在線粒體中如此必要的原因，威廉姆斯和論文第一作者、伯明翰大學的研究人員伊恩·約翰斯頓(Iain Johnston)對采集了線粒體基因產生的所有數據，并將這些數據輸入電腦。利用約翰斯頓開發的算法，經過幾周的運算，計算機給出了線粒體基因在演化史中丟失情況的時間線。

　　“幾十年來，有關線粒體保留自身基因的可能原因，科學家提出了一些假說，但都一直存在爭論，而這是第一次通過數據來分析這一問題”約翰斯頓說，“這種方法是借助這樣一個事實，即從高度多樣性的分類單元中，我們可以獲得數以千計的線粒體基因組，所以現在我們可以操縱這些數據，讓它自己說話。”

　　分析顯示，線粒體保留的基因與其自身結構的建造有關，否則就有被細胞核放置錯位的風險。而且，這些基因所在的DNA通過一種非常古老的形態緊密連結起來，從而不會被分解。威廉姆斯和約翰斯頓認為，這種通常不會在我們自身DNA中存在的設計，很可能就是防止線粒體基因在線粒體制造能量時不被分解的原因所在。

　　在線粒體內部制造能量——以三磷酸腺苷(ATP)的形式——的時候，同時會產生自由基。自由基也是受到輻射損傷的常見副產物。從本質上來說，線粒體制造能量的同時也會伴隨一定的損傷，而線粒體本身也能夠承受這樣的損傷。“在這種極端的環境下，你需要有專業的工作者，因為細胞核并不一定能勝任這項工作，”威廉姆斯說道。

　　研究人員還觀察到，線粒體基因的丟失在真核生物界內呈現出相同的模式。這或許告訴我們，演化可能以同樣的路徑進行了許多次，而且并不總是隨機的過程。在細胞內部環境中，不同生物體線粒體基因丟失情況的演變變得幾乎是可預知的。“如果我們能夠利用好過去歷史中的演化數據，就可以對未來發生的情況作出預測，為合成生物學和疾病探索提供巨大的可能性，”約翰斯頓說道。

　　通過自己開發的算法，研究人員下一步的計劃是探索線粒體疾病發生的原因。這類疾病通常會帶來災難性后果。盡管這項研究還不能完全解決我們為什么還保留線粒體DNA的問題，但論文作者稱，研究結果的確為爭論中的許多不同觀點找到了一個中間地帶。