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。”
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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(PNAS:為什么線粒體保留自身基因組?)。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(華人學者顛覆當前的線粒體起源理論 )。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(首次證明線粒體是衰老的關鍵)。
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