为什么我们仍保留线粒体DNA？

最近，分析进化过程中线粒体基因缺失的数学家和生物学家称，对于“为什么我们仍然保留有线粒体DNA？”做出了一种解释：线粒体DNA对于细胞核内的编码太重要了，因此逐渐进化为可抵御线粒体内的有害环境。相关研究结果发表在2月18日的《Cell Systems》。

　　

生物通报道：线粒体看上去像细菌，这外观并非伪装：它们从前是自由生活的细菌，后来大约在20亿年前适应了寄生在大细胞里的生活。它们还保留了基因组的一个碎片，作为曾经独立存在的印记。由于被我们常见的单细胞祖先消耗，这个“能源动力室”细胞器已经失去了其2000个以上的基因。仍然有少数基因留了下来，这取决于有机体，但问题是：为什么。最近，分析进化过程中线粒体基因缺失的数学家和生物学家称，一种解释是，线粒体DNA对于细胞核内的编码太重要了，因此逐渐进化为可抵御线粒体内的有害环境。相关研究结果发表在2月18日的《Cell Systems》。

本文共同作者、美国Whitehead生物医学研究所博士后Ben Williams指出：“这并不是说，‘缺失’的基因不再存在于许多情况中，而是说，细胞核产生了蛋白质，蛋白质进入线粒体，但是当你在细胞核中拥有这一切时，为何还要在线粒体中存在呢？这就像是说，你有一所中心图书馆，所有的书都在里面，但我们却打算将一部分书保存在一个漏水的小屋中。”

尽管我们与线粒体有着长期的关系，但是，我们的细胞和很多这些共生细胞器是如何共同工作的？仍然是神秘的和有争议的。我们知道，线粒体的获得，通过给真核细胞（我们的生命界）的共同祖先供以能量以让它们多细胞化，可能引发了历史上一个最重要的进化事件。我们知道，我们每个细胞都可能拥有几十个或数百个线粒体，这对于“为一切事物（从肌肉到大脑）提供能量”是必不可少的。但奇怪的是，在几乎所有的多细胞生物体中，线粒体通过控制一些重要基因而保持独立——尽管对于细胞来说，这比把这些基因储存在细胞核中更为安全。

为了弄清“是什么使得线粒体中的一些基因如此重要？”，Williams和通讯作者、伯明翰大学的研究员Iain Johnston，把产生的关于线粒体基因的所有数据丢进电脑。几个星期后，采用Johnston开发的算法，计算机得出了进化史上线粒体基因缺失的时间线。

Johnston说：“线粒体保存它们自己的基因，对其潜在的原因，已经讨论了几十年，这是第一次用数据驱动的方法来解决这个问题。一个事实发挥了促进作用，即，有成千上万的线粒体基因组来自于一组非常广泛的可用类群，现在我们可以利用这些数据，让它为自己说话。”

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分析显示，在线粒体中保留的基因，与构建细胞器的内部结构有关，否则，就处于被细胞错放的危险当中，这些基因中的DNA利用了一种非常古老的模式，可让线粒体DNA紧密结合在一起，并不易于分开。Williams和Johnston认为，这种设计通常存在于我们自己的DNA中，很可能在线粒体能量生产过程中阻止线粒体基因的分离。

随着能量以ATP的形式在线粒体内产生，自由基被释放出来——相同的自由基，是辐射的一种常见副产物。在本质上，由线粒体产生的动力伴随着一定的破坏，有可能是，线粒体能够抵挡这样的损伤。

研究人员还发现，发生在真核生物界的线粒体基因缺失，是遵循着相同的模式。这是一个教训：进化可能多次遵循相同的路径，并不是总是这样完全随机的过程。在细胞环境中，线粒体基因演变的损失，在不同的生物体之间是几乎可以预见的。Johnston说：“如果我们能够利用进化在过去已经完成的数据，并对它会去哪里作出预测陈述，那么，探索合成生物学和疾病的可能性将是巨大的。”

利用他们的算法，两人计划更进一步地探索叶绿体，以及线粒体疾病（这往往是非常毁灭性的）。虽然这项研究并没有解决为什么我们仍然有线粒体DNA，但是作者说，它确实为许多有争议的论点，找到了一个折衷点。

在去年7月份，《PNAS》发表的一项论文，也就“线粒体为什么保留自身基因组”这个问题进行了探讨。一项国际合作研究产生了一个有趣的假说：线粒体基因组编码疏水膜蛋白，如果它是在细胞核中编码，就会被信号识别颗粒（SRP）过滤，并被错误地引入内质网中（PNAS：为什么线粒体保留自身基因组？）。而在更早些时候，更是有学者颠覆了当前的线粒体起源理论，弗吉尼亚大学研究人员开展的一项研究，使用新一代DNA测序技术，解码了18种线粒体近缘细菌的基因组，表明寄生菌是给细胞供给能量的线粒体的第一代表亲，在它们变成有益之前，首先充当这些细胞中的能量寄生虫，相关研究发表在2014年10月份的《PLOS One》杂志（华人学者颠覆当前的线粒体起源理论 ）。而在今年伊始，一个国际科学家小组在《EMBO Journal》发表的一项研究首次发现，线粒体——细胞的发电厂，对于衰老来说是必不可少的，从而引起了学术界的广泛关注（首次证明线粒体是衰老的关键）。

（生物通：王英）

生物通推荐原文：
Cell Systems, Johnston and Williams: "Evolutionary inference across eukaryotes identifies multiple pressures favoring mtDNA gene retention" dx.doi.org/10.1016/j.cels.2016.01.013