线粒体基因何时丢失的？

　　生物学领域的一个巨大秘密，是细胞内线粒体拥有自己的遗传基因。为了解释这个秘密，有一个关于线粒体的起源的假说，就是内共生学说，认为线粒体来源于细菌，即一种原始细菌被真核生物吞噬后，在长期的共生过程中，通过演变，形成了线粒体。该学说认为，线粒体祖先原线粒体是一种可进行三羧酸循环和电子传递的革兰氏阴性菌，被原始真核生物吞噬后与宿主间形成共生关系。在共生关系中，对共生体和宿主都有好处，原线粒体可从宿主处获得更多的营养，而宿主可借用原线粒体具有的氧化分解功能获得更多的能量。这个学说比较有道理，但是也有许多疑问没有解决，至今仍然是生物学领域比较重要的科学问题。

　　线粒体产生的过程发生在数十亿年前，在长期不断进化过程中，线粒体自身的基因组逐渐萎缩，专门承担储存基因的细胞核逐渐代替线粒体的大部分基因功能，或者可以理解为一些线粒体基因逐渐转移到细胞核内。但尽管如此，一直到今天高等细胞内线粒体内仍然保留一小部分基因，例如人类线粒体内有37个基因，相对于细胞核内2万多基因几乎微不足道。既然在进化中线粒体基因逐渐丢失或转移到细胞核内，为什么到今天细胞内线粒体仍然要保留这些基因。尤其是这些基因也可以发生突变，导致某些罕见线粒体疾病。

　　关于线粒体进化，科学家已经掌握一些证据，但是仍然不是非常全面。最近英国伯明翰大学生物学家Iain Johnston和剑桥怀特黑德生物医学研究所生物学家Ben Williams首次利用数学模型对线粒体进化进行研究，他们分析了2000多个来自动物、植物、真菌和原虫等物种的不同线粒体基因组。他们对线粒体的进化树进行了标记，建立一种计算方法，能够估计出不同基因在不同时间段丢失的概率。

　　加拿大英属哥伦比亚大学生物学家Keith Adams认为这是一个很有创新性的研究，过去没有人用数学模型进行线粒体进化的研究。线粒体是细胞内的能量工厂，通过一系列化学反应将电子沿着细胞膜进行传递，最终将电子交给氧气产生水，完成整个氧化还原反应。实现电子传递过程需要一组蛋白复合体，这些复合体都组装在线粒体内膜上。

　　线粒体内所有保留下来的基因都是能量代谢相关，但是最新研究发现，这些保留下来的基因编码大蛋白往往是形成线粒体内蛋白复合物核心成员，而那些在能量代谢过程中发挥辅助功能的基因，则容易转移到细胞核。今天他们在《细胞系统》发表了研究论文。

　　线粒体保留这些能量产生的核心基因，可以让线粒体拥有对局部线粒体能量代谢的精细调节，这对于一些有巨大空间的细胞，例如神经元和肌肉细胞不同部位进行能量代谢精细供应具有重要意义。尤其是一些神经元，细胞核和末梢可以有1米的长度，这需要非常精确的能量代谢空间调节。只有利用线粒体自身的基因才能进行这种精确的能量代谢精确调控。

　　伦敦学院大学生物学家John Allen说，这好比是在一个大型建筑内，你发现一个房间内失火，只需要顺手用灭火器就可以解决问题，不需要或不适合通过报警请消防队来解决。

　　Allen 说，这是一个非常基本的反馈调节机制。他自己曾经研究发现某些线粒体表达蛋白质具有空间差异，这种差异能帮助细胞更好进行能量代谢。其它细胞器也能从局部控制中获得好处，但是线粒体是唯一具有指令控制的细胞器。

　　Johnston和Williams的模型也提示其它一些重要因素，例如线粒体基因编码的蛋白质有一个化学性质的共性，这些蛋白质都是疏水性的，或者更容易被组装到线粒体膜结构中。假如这些蛋白质不是在线粒体局部制造，那么运输这些蛋白质可能成为问题。不过疏水性蛋白有许多，其它部位的这类蛋白是怎么解决运输问题的，这些蛋白运输紊乱会不会产生疾病。