《科学进展》：为什么线粒体中的DNA只能从母亲那里获得？

长期以来，科学家们一直想知道，为什么动物的线粒体(细胞的能量中心)中的DNA只能从它们的母亲那里获得。新的研究解释了原因，并为治疗线粒体疾病提供了希望。

　　

这是生物学的基本原理之一：我们的DNA来自我们的父母。

但有一个明显的例外让科学家们困惑了几十年:大多数动物，包括人类，都是从母亲那里遗传线粒体(细胞的能量中心)内的DNA，在精子与卵子结合的那一刻，父亲线粒体基因组的所有痕迹都被破坏了。

10月4日发表在《科学进展》(Science Advances)杂志上的科罗拉多大学博尔德分校(University of Colorado Boulder)的一项新研究揭示了这种情况发生的原因，该研究表明，当这一过程失败，父系线粒体进入发育中的胚胎时，可能会导致成年人出现持久的神经、行为和生殖问题。

这项在线虫身上进行的研究提供了新的线索，说明是什么导致了一些线粒体疾病，这种疾病阻碍了身体产生能量的能力，大约每5000人中就有一人受到影响。它还提出了一种可能预防或治疗它们的新方法——一种被称为维生素K2的简单维生素。

科罗拉多大学博尔德分校分子、细胞和发育生物学(MCDB)教授、资深作者Ding Xue说:“这些发现提供了重要的新见解，解释了为什么父系线粒体必须在早期发育过程中迅速移除。它们还为治疗这一过程受到破坏时可能引起的人类疾病提供了新的希望。”

当能量不足时

线粒体通常被描述为细胞电池，它产生三磷酸腺苷(ATP)，这种能量几乎驱动所有细胞功能。

线粒体有自己独特的DNA，通常只从母亲那里遗传。

2016年，Ding Xue发表了第一批阐明父系线粒体是如何被消灭的论文之一——通过一种被称为“父系线粒体消除(PME)”的多方面自毁机制，这一过程在线虫、啮齿动物和人类身上都有记录。

“对于一个男人来说，听到这可能很丢脸，但这是真的，”Xue开玩笑说。“我们的东西是如此不受欢迎，以至于进化设计了多种机制来确保在繁殖过程中被清除。”

一些理论认为，在与数百万其他精子一起穿透卵子后，精子线粒体耗尽，基因受损，如果遗传给后代，在进化上将是灾难性的。

Xue和他的团队开始研究当父系线粒体不自我毁灭时会发生什么。

他们研究了秀丽隐杆线虫，这是一种半透明的蠕虫，只有1000个细胞，但发育了神经系统、肠道、肌肉和其他类似于人类的组织。

研究小组无法完全停止蠕虫体内的PME，这证明了这种进化过程是多么有弹性。但他们能够将它推迟大约10个小时。当他们在受精卵中这样做时，会导致ATP显著减少。如果这些蠕虫存活了下来，它们的认知能力会受损，活动会改变，繁殖也会困难。

当研究人员用一种被称为MK-4的维生素K2(最著名的是骨骼健康补充剂)处理这些蠕虫时，它使胚胎中的ATP水平恢复正常，并改善了成虫的记忆、活动和繁殖能力。

对鲜为人知的疾病抱有希望

作者指出，只有少数记录在案的病例，父系线粒体DNA可能在人类成年人中被发现。一篇论文描述了一名28岁的男子呼吸困难，肌肉无力，无法忍受运动。另一份文件记录了三个不相关的多代家庭的17名成员，他们有疲劳、肌肉疼痛、语言迟缓和神经系统症状。

需要对更大的动物进行更多的研究，但薛怀疑在某些情况下，就像蠕虫一样，PME的仅仅延迟可能会加剧难以诊断的人类疾病。

“如果ATP出了问题，它会影响到人类生命周期的每个阶段，”他说。

Xue设想有一天，一些有线粒体疾病史的家庭在产前服用维生素K2作为预防措施。这项研究，以及该实验室正在进行的研究，也可能带来诊断或治疗线粒体疾病的新方法。

“我们对很多疾病知之甚少。没有人真正知道发生了什么。这项研究提供了线索。”