為什麼我們還保留粒體DNA？決定生存太重要

新浪科技訊 北京時間3月8日消息，粒體早已不是最初誕生時——大約20億年前——的細菌模樣了。在被生物共同的單細胞祖先攝食之后，直到現在，這種被稱為“能量工廠”的細胞器已經丟失了原本2000多個基因中的大部分，很可能是轉移到了細胞核內。依然有一些粒體基因保留了下來，數量取決於物種的不同。問題在於，為什麼還要保留這些基因呢？一位數學家兼生物學家對粒體在演化過程中基因的丟失進行了分析，他提出了一個解釋，即粒體DNA太過重要，以至於不能被整合到細胞核中，它們也因此演化出對抗粒體內部有害環境的能力。相關研究的結果發表在2月18日的《細胞系統》(Cell Systems)雜誌上。

“在許多情況下，‘丟失’的基因並不是不再存在了，而是細胞核製造了蛋白質，這些蛋白質再運送到粒體內，但是，當你可以在細胞核裏完成這一切的時候，為什麼還要在粒體也保留呢？”共同作者、懷特黑德生物醫學研究所(Whitehead Institute for Biomedical Research)的博士后研究人員本·威廉姆斯(Ben Williams)，“就好比你有一個中心圖書館，可以把你所有的書都放在裏面，但我們還要把其中10本書放到一個不太嚴實的小庫房裏。”

盡管我們與粒體之間的共存歷史已經相當久遠，但還有許多關於細胞與這些共生細胞器如何共存、如何工作的問題依然沒有答案，而且充滿爭議。我們知道，獲得粒體是生物演化歷史上最為重要的事件，因為真核生物的共同祖先因此獲得了能量，從而演化成多細胞生物。我們還知道，我們身體的每一個細胞能擁有數十個，甚至數百個粒體，它們是我們生存的關鍵，能夠為肌肉、大腦等各個組織、器官供應能量。但奇怪的是，在几乎所有多細胞生物中，粒體一直通過掌握少數關鍵基因而保持獨立的狀態，盡管把這些基因保存在細胞核裏看上去更安全一些。

為了確定少數基因在粒體中如此必要的原因，威廉姆斯和論文第一作者、伯明翰大學的研究人員伊恩·約翰斯頓(Iain Johnston)對採集了粒體基因生的所有數據，並將這些數據輸入電腦。利用約翰斯頓開發的算法，經過幾周的運算，計算機給出了粒體基因在演化史中丟失情況的時間。

“幾十年來，有關粒體保留自身基因的可能原因，科學家提出了一些假，但都一直存在爭論，而這是第一次通過數據來分析這一問題”約翰斯頓，“這種方法是借助這樣一個事實，即從高度多樣性的分類單元中，我們可以獲得數以千計的粒體基因組，所以現在我們可以操縱這些數據，讓它自己話。”

分析顯示，粒體保留的基因與其自身結構的建造有關，否則就有被細胞核放置錯位的風險。而且，這些基因所在的DNA通過一種非常古老的形態緊密連結起來，從而不會被分解。威廉姆斯和約翰斯頓認為，這種通常不會在我們自身DNA中存在的設計，很可能就是防止粒體基因在粒體製造能量時不被分解的原因所在。

在粒體內部製造能量——以三磷酸腺(ATP)的形式——的時候，同時會生自由基。自由基也是受到輻射損傷的常見副物。從本質上來，粒體製造能量的同時也會伴隨一定的損傷，而粒體本身也能夠承受這樣的損傷。“在這種極端的環境下，你需要有專業的工作者，因為細胞核並不一定能勝任這項工作，”威廉姆斯道。

研究人員還觀察到，粒體基因的丟失在真核生物界內呈現出相同的模式。這或許告訴我們，演化可能以同樣的路徑進行了許多次，而且並不總是隨機的過程。在細胞內部環境中，不同生物體粒體基因丟失情況的演變變得几乎是可預知的。“如果我們能夠利用好過去歷史中的演化數據，就可以對未來發生的情況作出預測，為合成生物學和疾病探索提供巨大的可能性，”約翰斯頓道。

通過自己開發的算法，研究人員下一步的計劃是探索粒體疾病發生的原因。這類疾病通常會帶來災難性后果。盡管這項研究還不能完全解決我們為什麼還保留粒體DNA的問題，但論文作者稱，研究結果的確為爭論中的許多不同觀點找到了一個中間地帶。(任天)