Cell子刊惊人发现：自私的线粒体

　　

生物通报道：线粒体是细胞内的能源工厂，负责为细胞提供必要能源，使其得以执行日常功能。线粒体功能障碍与多种人类疾病有关，包括自闭症、阿尔茨海默症、精神分裂症、痴呆、帕金森病、癫痫、中风、癌症、慢性疲劳综合征和心血管疾病。

有很多因素会造成线粒体功能障碍，不过线粒体DNA（mtDNA）突变的作用特别大。Vanderbilt大学的研究人员七月十二日在Cell Metabolism杂志上发表文章指出，突变mtDNA会为了一己私欲做出损害宿主的行为，最终引发线粒体疾病。这项研究揭示了突变mtDNA躲避细胞控制机制的分子途径，有望帮助人们为线粒体疾病开发更有效的疗法。

线粒体在真核细胞中有着独特的地位，它除了提供能量还参与了一些其他程序，比如细胞周期和细胞生长调控。人们普遍认为线粒体原本是独立的细菌，它们发展出了原核细胞所缺乏的能力，把氧当作自己的能量源泉。后来，一些原核生物想办法将线粒体变成了自己的内共生体。这种共生非常成功，线粒体提供的额外能量帮助真核生物发展成了多细胞生物。

线粒体保留着自己的DNA，这一点非常独特。相比于庞大的人类基因组，仅含37个基因的线粒体基因组显得非常小。mtDNA拷贝数在不同类型的人类细胞中差异很大。举例来说，人类红细胞完全没有mtDNA，但人类肝细胞拥有数千拷贝的mtDNA。

正常细胞的mtDNA拷贝都是一模一样的。不过细胞能够根据自己的需要分解或生产细胞器，比如快速摧毁和复制线粒体。mtDNA会在这一过程中发生突变，而高水平的突变mtDNA可能引发疾病。

线粒体疾病有一些与众不同的特性。“线粒体疾病表现为多种症状，存在很大的个体差异。突变载量为50%的人可能没有什么表现，而突变载量为80%的人可能发展出严重症状，” Vanderbilt大学的助理教授Maulik Patel介绍说。他和同事用透明的线虫（C. elegans）对线粒体疾病进行了研究，线虫是研究发育机制和多细胞生物的常用动物模型。

研究显示，细胞能启动特异性反应来处理突变mtDNA导致的线粒体功能障碍，但这种应答会让突变mtDNA进一步传播和扩散。“从这个角度来看，突变mtDNA自私地利用细胞调控机制推动自身发展，”Patel解释道。

细胞一直在监控线粒体的健康状态。当它发现线粒体功能障碍时，会通过线粒体未折叠蛋白反应进行修复。这个程序可以缓解线粒体的功能障碍，还能保护线粒体不被细胞摧毁。研究表明，突变线粒体能够激活未折叠蛋白反应，让细胞容忍自己的存在和mtDNA的增殖。

细胞会计算线粒体基因组的数量，在需要更多能量的时候生产线粒体基因组。研究人员发现，细胞的计数机制看不到发生突变的线粒体基因组。为了达到最佳能量水平，细胞会生产更多拷贝的突变基因组，结果导致突变拷贝过多。“发生突变的线粒体基因组主要通过这两种途径来满足自己的‘私心’，”Patel指出。

去年四月纽约大学的一项研究表明，线粒体在干细胞发育中起到了重要作用，而且这种作用不依赖线粒体的ATP合成功能。干细胞分化是一个受到严格调控的过程，对于动物发育和组织内稳态至关重要。研究人员通过果蝇实验发现，阻断线粒体的ATP合酶会使生殖干细胞停止发育成卵细胞。这说明ATP合酶在生殖干细胞的分化过程中起到了重要的作用，对正常干细胞发育很重要。（更多详细信息参见：Nature子刊揭示线粒体的全新功能）

Whitehead研究所的科学家们发现，干细胞在分裂的时候能够区分衰老和年轻的线粒体，并将它们不对称的分配给子细胞。继续保持“干”性的子细胞主要分到年轻的线粒体，而分化的子细胞主要分到衰老的线粒体。这项发表在Science杂志上的研究指出，细胞内容物的不对称分配可能是干细胞防止损伤累积的一种机制。（更多详细信息参见：Science：干细胞维持“干”性的秘诀）

葡萄糖是人体的重要能量来源。在我们代谢含糖食物的时候，血液中的葡萄糖水平也会随着攀升。人们普遍认为，血糖水平主要受胰岛素、肝脏和肌肉的影响。然而耶鲁大学的科学家们证实，大脑神经元的线粒体也在系统性血糖控制中起到了至关重要的作用。这项发表在Cell杂志上的研究显示，大脑的一部分神经元能够感觉到血糖水平的改变，它们的线粒体会随之做出适应性改变。这种线粒体改变在机体的血糖控制中起到了核心作用。（更多详细信息参见：Cell惊人发现，糖尿病和线粒体有关？）

生物通编辑：叶予

生物通推荐原文：Homeostatic Responses Regulate Selfish Mitochondrial Genome Dynamics in C. elegans. Cell Metabolism