未知的起源｜打破教科书般的研究，线粒体DNA还有那些我们无从知晓的秘密？

线粒体-能量代谢的重要场所

线粒体(mitochondrion)是真核生物进行氧化代谢的部位，是糖类、脂肪和氨基酸最终氧化释放能量的场所。线粒体负责的最终氧化的共同途径是三羧酸循环与氧化磷酸化，分别对应有氧呼吸的第二、三阶段。除了溶组织内阿米巴、篮氏贾第鞭毛虫以及几种微孢子虫外，大多数真核细胞或多或少都拥有线粒体，但它们各自拥有的线粒体在大小、数量及外观等方面上都有所不同。线粒体拥有自身的遗传物质和遗传体系，但其基因组大小有限，是一种半自主细胞器。除了为细胞供能外，线粒体还参与诸如细胞分化、细胞信息传递和细胞凋亡等过程，并拥有调控细胞生长和细胞周期的能力。

线粒体DNA（mtDNA)-唯一存在于人类细胞质中的DNA分子

mtDNA是唯一存在于人类细胞质中的DNA分子，独立于细胞核染色体外的基因组，具有自我复制、转录和编码功能。人mtDNA由16569bp组成，双链闭合环状（也有一些是线性的），其中外环DNA单链含G较多，C较少，使整个外环DNA分子量交大，称为重链。而内环DNA单链则C多，G少，故分子量较少，称为轻链，mtDNA两条链都具有编码功能。

mtDNA是裸露的，不与组蛋白结合，存在线粒体基质或黏附于线粒体内膜。在一个线粒体往往有一个至数个mtDNA。mtDNA的自我复制也是以半保留的方式进行。

线粒体DNA能够编码自己的mRNA、rRNA和tRAN,合成一部分自身所需要的蛋白质，线粒体的这一功能称为线粒体的半自主性。线粒体中的大多数是核基因编码的，在细胞质中合成。因此线粒体的生长繁殖是由核-质两套遗传系统共同调控的结果。

改变教科书的研究发现，线粒体DNA并非完全的母系遗传！

产生能量的细胞器线粒体含有自己的基因组，与核基因组分离。在几乎所有哺乳动物中，这种线粒体基因组完全是从母亲遗传的，而父系线粒体DNA在人类身上的传播还没有令人信服的证据。近日，来自于辛辛那提儿童医院医疗中心的黄涛生团队在国际权威杂志PNAS上发表题为“BiparentalInheritance of Mitochondrial DNA in Humans”的文章，发现了三个不相关的多代家系的mtDNA双亲本遗传的多个实例，这一结果改变了人们对线粒体遗传的广泛认识，为线粒体医学开辟了一个新的领域。因为这一颠覆性的发现，Nature专门刊文对其进行解读。

线粒体DNA可以通过父亲遗传真正引起学界注意是在2002年。Marianne Schwartz和John Vissing在研究一名28岁男性患者的线粒体疾病时，发现导致这名患肌肉疾病的异常线粒体DNA，居然是从他父亲那里获得的。这是科学家首次发现线粒体DNA可以从父亲那里传递给后代。不过遗憾的是，在接下来的16年里，再也没有类似的确切报道。以至于很多遗传学家们都认为，2002年那个发现完全就是个偶然事件。

其实为了给精子提供游动的能量，精子里面是有线粒体的。至于线粒体为何以母系遗传的方式传递，目前比较主流的观点是，精子中的线粒体携带更多的变，对后代发育不利，因此受精后便被破坏、失活，或被稀释得无影无踪了。不过，精子的线粒体究竟是如何被破坏掉的，目前还不清楚。

卵细胞受精后破坏精子中的线粒体

作为能量代谢的重要场所，为什么线粒体有着自己独立的DNA

有科学人员认为在很久之前线粒体是一种独立的单细胞生物，直到10亿年前，它们被较大的细胞吞噬。但是被消化，而是在宿主细胞内定居下来，它与宿主建立了互利的关系，最终演化成为人们现在所看到的复杂的细胞器。

多年来，线粒体基因组已经萎缩。细胞核现在承载着绝大多数细胞的遗传物质-甚至是帮助线粒体发挥功能的基因。例如，在人类中，线粒体基因组只包含37个基因，而细胞核只有2万多个。随着时间的推移，大多数线粒体基因已经跳入细胞核。但是，如果这些基因是可移动的，为什么线粒体会保留自己独立基因，特别是考虑到其中一些基因的突变会导致罕见但致残的疾病，这些疾病会逐渐破坏病人的大脑、肝脏、心脏和其他关键器官。

英国伯明翰大学的生物学家伊恩·约翰斯顿和马萨诸塞州剑桥的怀特黑德生物医学研究所的生物学家本·威廉姆斯第一次在数学上比较了不同的假设。他们分析了来自动物、植物、真菌和原生动物(如变形虫)的2000多个不同的线粒体基因组。追踪了他们的进化路径，创造了一种算法来计算不同基因和基因组合在特定时间点丢失的概率。

线粒体通过一系列化学反应产生能量，这些化学反应通过膜上的电子传递。这一过程的关键是一系列蛋白质复合物。线粒体的所有剩余基因在某种程度上都有助于产生能量。但是，研究小组发现，如果一个基因产生的蛋白质是这些复合物中的一个核心，那么它就更有可能继续存在。同时，负责更多外围能产生功能的基因更有可能被转移到细胞核。

“将这些基因局部保持在线粒体中使得细胞能够单独控制线粒体，”约翰斯顿说，因为关键蛋白是在线粒体自身中产生的。该局部控制意味着细胞能够更快速和有效地调节单个线粒体中能量的产生，而不是必须对其包含的数百或数千线粒体进行彻底的改变。

参考文献：

１、https://www.pnas.org/content/115/51/13039

２、https://www.nature.com/articles/d41586-019-00093-1

３、https://www.sciencemag.org/news/2016/02/why-do-our-cells-power-plants-have-their-own-dna