線粒體基因何時丟失的？

　　生物學領域的一個巨大秘密，是細胞內線粒體擁有自己的遺傳基因。為了解釋這個秘密，有一個關于線粒體的起源的假說，就是內共生學說，認為線粒體來源于細菌，即一種原始細菌被真核生物吞噬后，在長期的共生過程中，通過演變，形成了線粒體。該學說認為，線粒體祖先原線粒體是一種可進行三羧酸循環和電子傳遞的革蘭氏陰性菌，被原始真核生物吞噬后與宿主間形成共生關系。在共生關系中，對共生體和宿主都有好處，原線粒體可從宿主處獲得更多的營養，而宿主可借用原線粒體具有的氧化分解功能獲得更多的能量。這個學說比較有道理，但是也有許多疑問沒有解決，至今仍然是生物學領域比較重要的科學問題。

　　線粒體產生的過程發生在數十億年前，在長期不斷進化過程中，線粒體自身的基因組逐漸萎縮，專門承擔儲存基因的細胞核逐漸代替線粒體的大部分基因功能，或者可以理解為一些線粒體基因逐漸轉移到細胞核內。但盡管如此，一直到今天高等細胞內線粒體內仍然保留一小部分基因，例如人類線粒體內有37個基因，相對于細胞核內2萬多基因幾乎微不足道。既然在進化中線粒體基因逐漸丟失或轉移到細胞核內，為什么到今天細胞內線粒體仍然要保留這些基因。尤其是這些基因也可以發生突變，導致某些罕見線粒體疾病。

　　關于線粒體進化，科學家已經掌握一些證據，但是仍然不是非常全面。最近英國伯明翰大學生物學家Iain Johnston和劍橋懷特黑德生物醫學研究所生物學家Ben Williams首次利用數學模型對線粒體進化進行研究，他們分析了2000多個來自動物、植物、真菌和原蟲等物種的不同線粒體基因組。他們對線粒體的進化樹進行了標記，建立一種計算方法，能夠估計出不同基因在不同時間段丟失的概率。

　　加拿大英屬哥倫比亞大學生物學家Keith Adams認為這是一個很有創新性的研究，過去沒有人用數學模型進行線粒體進化的研究。線粒體是細胞內的能量工廠，通過一系列化學反應將電子沿著細胞膜進行傳遞，最終將電子交給氧氣產生水，完成整個氧化還原反應。實現電子傳遞過程需要一組蛋白復合體，這些復合體都組裝在線粒體內膜上。

　　線粒體內所有保留下來的基因都是能量代謝相關，但是最新研究發現，這些保留下來的基因編碼大蛋白往往是形成線粒體內蛋白復合物核心成員，而那些在能量代謝過程中發揮輔助功能的基因，則容易轉移到細胞核。今天他們在《細胞系統》發表了研究論文。

　　線粒體保留這些能量產生的核心基因，可以讓線粒體擁有對局部線粒體能量代謝的精細調節，這對于一些有巨大空間的細胞，例如神經元和肌肉細胞不同部位進行能量代謝精細供應具有重要意義。尤其是一些神經元，細胞核和末梢可以有1米的長度，這需要非常精確的能量代謝空間調節。只有利用線粒體自身的基因才能進行這種精確的能量代謝精確調控。

　　倫敦學院大學生物學家John Allen說，這好比是在一個大型建筑內，你發現一個房間內失火，只需要順手用滅火器就可以解決問題，不需要或不適合通過報警請消防隊來解決。

　　Allen 說，這是一個非常基本的反饋調節機制。他自己曾經研究發現某些線粒體表達蛋白質具有空間差異，這種差異能幫助細胞更好進行能量代謝。其它細胞器也能從局部控制中獲得好處，但是線粒體是唯一具有指令控制的細胞器。

　　Johnston和Williams的模型也提示其它一些重要因素，例如線粒體基因編碼的蛋白質有一個化學性質的共性，這些蛋白質都是疏水性的，或者更容易被組裝到線粒體膜結構中。假如這些蛋白質不是在線粒體局部制造，那么運輸這些蛋白質可能成為問題。不過疏水性蛋白有許多，其它部位的這類蛋白是怎么解決運輸問題的，這些蛋白運輸紊亂會不會產生疾病。