为什么我们还保留线粒体DNA？决定生存太重要

　　3月8日消息，线粒体早已不是最初诞生时——大约20亿年前——的细菌模样了。在被生物共同的单细胞祖先摄食之后，直到现在，这种被称为“能量工厂”的细胞器已经丢失了原本2000多个基因中的大部分，很可能是转移到了细胞核内。依然有一些线粒体基因保留了下来，数量取决于物种的不同。问题在于，为什么还要保留这些基因呢？一位数学家兼生物学家对线粒体在演化过程中基因的丢失进行了分析，他提出了一个解释，即线粒体DNA太过重要，以至于不能被整合到细胞核中，它们也因此演化出对抗线粒体内部有害环境的能力。相关研究的结果发表在2月18日的《细胞系统》(Cell Systems)杂志上。

　　“在许多情况下，‘丢失’的基因并不是不再存在了，而是细胞核制造了蛋白质，这些蛋白质再运送到线粒体内，但是，当你可以在细胞核里完成这一切的时候，为什么还要在线粒体也保留着呢？”共同作者、怀特黑德生物医学研究所(Whitehead Institute for Biomedical Research)的博士后研究人员本·威廉姆斯(Ben Williams)说，“就好比说你有一个中心图书馆，可以把你所有的书都放在里面，但我们还要把其中10本书放到一个不太严实的小库房里。”

　　尽管我们与线粒体之间的共存历史已经相当久远，但还有许多关于细胞与这些共生细胞器如何共存、如何工作的问题依然没有答案，而且充满争议。我们知道，获得线粒体是生物演化历史上最为重要的事件，因为真核生物的共同祖先因此获得了能量，从而演化成多细胞生物。我们还知道，我们身体的每一个细胞能拥有数十个，甚至数百个线粒体，它们是我们生存的关键，能够为肌肉、大脑等各个组织、器官供应能量。但奇怪的是，在几乎所有多细胞生物中，线粒体一直通过掌握少数关键基因而保持着独立的状态，尽管把这些基因保存在细胞核里看上去更安全一些。

　　为了确定少数基因在线粒体中如此必要的原因，威廉姆斯和论文第一作者、伯明翰大学的研究人员伊恩·约翰斯顿(Iain Johnston)对采集了线粒体基因产生的所有数据，并将这些数据输入电脑。利用约翰斯顿开发的算法，经过几周的运算，计算机给出了线粒体基因在演化史中丢失情况的时间线。

　　“几十年来，有关线粒体保留自身基因的可能原因，科学家提出了一些假说，但都一直存在争论，而这是第一次通过数据来分析这一问题”约翰斯顿说，“这种方法是借助这样一个事实，即从高度多样性的分类单元中，我们可以获得数以千计的线粒体基因组，所以现在我们可以操纵这些数据，让它自己说话。”

　　分析显示，线粒体保留的基因与其自身结构的建造有关，否则就有被细胞核放置错位的风险。而且，这些基因所在的DNA通过一种非常古老的形态紧密连结起来，从而不会被分解。威廉姆斯和约翰斯顿认为，这种通常不会在我们自身DNA中存在的设计，很可能就是防止线粒体基因在线粒体制造能量时不被分解的原因所在。

　　在线粒体内部制造能量——以三磷酸腺苷(ATP)的形式——的时候，同时会产生自由基。自由基也是受到辐射损伤的常见副产物。从本质上来说，线粒体制造能量的同时也会伴随一定的损伤，而线粒体本身也能够承受这样的损伤。“在这种极端的环境下，你需要有专业的工作者，因为细胞核并不一定能胜任这项工作，”威廉姆斯说道。

　　研究人员还观察到，线粒体基因的丢失在真核生物界内呈现出相同的模式。这或许告诉我们，演化可能以同样的路径进行了许多次，而且并不总是随机的过程。在细胞内部环境中，不同生物体线粒体基因丢失情况的演变变得几乎是可预知的。“如果我们能够利用好过去历史中的演化数据，就可以对未来发生的情况作出预测，为合成生物学和疾病探索提供巨大的可能性，”约翰斯顿说道。

　　通过自己开发的算法，研究人员下一步的计划是探索线粒体疾病发生的原因。这类疾病通常会带来灾难性后果。尽管这项研究还不能完全解决我们为什么还保留线粒体DNA的问题，但论文作者称，研究结果的确为争论中的许多不同观点找到了一个中间地带。