为什么线粒体拥有独立的DNA？

劳雷尔·海默斯+段晓茜

在细胞生物学领域有许多未解之谜，其中之一就是为什么有“细胞加油站”之称的椭圆形线粒体结构拥有独立的DNA，并且不会因为细胞中大量的遗传物质而受到影响。一项最新研究有可能已经找到了这个问题的答案。

科学家认为，线粒体曾经是独立的单细胞生物体，直到10多亿年前才被更大的细胞吞噬。这样，它们避免了被消化的厄运，并且与宿主建立了一种互利关系，最终使动植物等更为复杂的生命得以出现。

经过漫长的演变，线粒体基因组已经缩小。现在的细胞核中包含着绝大多数细胞遗传物质，甚至还有为线粒体提供服务的基因。随着时间的推移，大多数线粒体基因已经跳入了细胞核内。但是，如果这些基因是移动的，线粒体为什么还要将其保留下来，尤其是这些基因的突变会导致严重的罕见疾病，逐渐破坏患者的大脑、肝脏、心脏以及其他重要器官？

英国伯明翰大学的生物学家伊恩·约翰斯顿与马萨诸塞州剑桥市怀特黑德生物医学研究所的生物学家本·威廉姆斯联手，首次通过数学建模方法对各种假设进行比较。他们对来自动植物、真菌和原生生物（如变形虫）的超过2000种不同的线粒体基因组进行了分析，并追踪其进化路径，从而创建程序并计算得出不同基因以及基因组在特定时间点丢失的概率。

位于加拿大温哥华的不列颠哥伦比亚大学的生物学家凯斯·亚当斯并未参与此项研究，但他表示：“此类研究的常规做法当中并不包括建模的方法，这是该项目诸多创新之处的一个体现。”

线粒体通过一系列化学反应，沿着细胞膜传递电子来产生能量。该过程的关键在于一系列蛋白复合物及大的球蛋白被嵌入线粒体内膜。该研究小组发现，如果某个基因产生的蛋白质处于某个蛋白复合物的核心，则该基因更有可能被保留下来。同时，负责为周边生产更多能量的基因则更有可能被转运到细胞核。

约翰斯顿认为，将这些基因保留在线粒体中是细胞控制线粒体的一种特有方法，因为关键的蛋白质是在线粒体内产生的。这种局部控制意味着细胞可以更加快速有效地调节单个线粒体中瞬间能量的产生，而不必对其包含的成百甚至上千个线粒体进行大规模改变。

伦敦大学学院生物学家约翰·艾伦非该项目组成员，他表示，这就和人们应对火灾的做法一样，如果一栋庞大建筑物内的某个房间起火，人们会选择拿起灭火器直接定向灭火而不是给该建筑的管理人员拨打电话发出灭火的请求。

他还说：“我认为这是一个非常基本的反馈机制。”他的研究发现在有需要的地方恰好生产出某些线粒体蛋白，可以帮助细胞更好地调节能量产生。我们细胞中的其他结构也可以从这种局部控制的方式中获益。但线粒体作为曾经独立的细胞，是唯一拥有独立指挥中心的细胞。

约翰斯顿与威廉姆斯的研究模型也反映出其他一些可能有重大意义的方面。例如，为线粒体蛋白进行疏水性或防水性编码的基因更有可能在线粒体中产生。这是因为如果这些蛋白质在细胞中的其他地方产生，有时可能会在转运中停滞下来。

基因本身的化学结构也会影响它们是否能够保留下来。那些能够抵抗线粒体内部恶劣环境，不容易遭到破坏的基因保留下来的可能性更大。

约翰斯顿认为，他与威廉姆斯开发的计算机程序可以用于线粒体基因组筛选之外的许多方面。該算法能够分析致病基因或疾病症状在某个时间节点获得或丧失某些特征的任何问题。他希望该模型能有助于后续研究的预测工作。