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一張膠卷形式的簡(jiǎn)圖“追溯”了演化歷史，展現(xiàn)了一個(gè)線粒體蛋白質(zhì)相關(guān)基因的位置變化

線粒體基因會(huì)隨著時(shí)間推移而丟失。

線粒體早已不是zui初誕生時(shí)——大約20億年前——的細(xì)菌模樣了。在被生物共同的單細(xì)胞祖先攝食之后，直到現(xiàn)在，這種被稱為“能量工廠”的細(xì)胞器已經(jīng)丟失了原本2000多個(gè)基因中的大部分，很可能是轉(zhuǎn)移到了細(xì)胞核內(nèi)。依然有一些線粒體基因保留了下來(lái)，數(shù)量取決于物種的不同。問(wèn)題在于，為什么還要保留這些基因呢？一位數(shù)學(xué)家兼生物學(xué)家對(duì)線粒體在演化過(guò)程中基因的丟失進(jìn)行了分析，他提出了一個(gè)解釋?zhuān)淳€粒體DNA太過(guò)重要，以至于不能被整合到細(xì)胞核中，它們也因此演化出對(duì)抗線粒體內(nèi)部有害環(huán)境的能力。相關(guān)研究的結(jié)果發(fā)表在2月18日的《細(xì)胞系統(tǒng)》(Cell Systems)雜志上。

“在許多情況下，‘丟失’的基因并不是不再存在了，而是細(xì)胞核制造了蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)再運(yùn)送到線粒體內(nèi)，但是，當(dāng)你可以在細(xì)胞核里完成這一切的時(shí)候，為什么還要在線粒體也保留著呢？”共同作者、懷特黑德生物醫(yī)學(xué)研究所(Whitehead Institute for Biomedical Research)的博士后研究人員本·威廉姆斯(Ben Williams)說(shuō)，“就好比說(shuō)你有一個(gè)中心圖書(shū)館，可以把你所有的書(shū)都放在里面，但我們還要把其中10本書(shū)放到一個(gè)不太嚴(yán)實(shí)的小庫(kù)房里。”

盡管我們與線粒體之間的共存歷史已經(jīng)相當(dāng)久遠(yuǎn)，但還有許多關(guān)于細(xì)胞與這些共生細(xì)胞器如何共存、如何工作的問(wèn)題依然沒(méi)有答案，而且充滿爭(zhēng)議。我們知道，獲得線粒體是生物演化歷*zui為重要的事件，因?yàn)檎婧松锏墓餐嫦纫虼双@得了能量，從而演化成多細(xì)胞生物。我們還知道，我們身體的每一個(gè)細(xì)胞能擁有數(shù)十個(gè)，甚至數(shù)百個(gè)線粒體，它們是我們生存的關(guān)鍵，能夠?yàn)榧∪?、大腦等各個(gè)組織、器官供應(yīng)能量。但奇怪的是，在幾乎所有多細(xì)胞生物中，線粒體一直通過(guò)掌握少數(shù)關(guān)鍵基因而保持著獨(dú)立的狀態(tài)，盡管把這些基因保存在細(xì)胞核里看上去更安全一些。

為了確定少數(shù)基因在線粒體中如此必要的原因，威廉姆斯和論文*作者、伯明翰大學(xué)的研究人員伊恩·約翰斯頓(Iain Johnston)對(duì)采集了線粒體基因產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)輸入電腦。利用約翰斯頓開(kāi)發(fā)的算法，經(jīng)過(guò)幾周的運(yùn)算，計(jì)算機(jī)給出了線粒體基因在演化史中丟失情況的時(shí)間線。

“幾十年來(lái)，有關(guān)線粒體保留自身基因的可能原因，科學(xué)家提出了一些假說(shuō)，但都一直存在爭(zhēng)論，而這是*次通過(guò)數(shù)據(jù)來(lái)分析這一問(wèn)題”約翰斯頓說(shuō)，“這種方法是借助這樣一個(gè)事實(shí)，即從高度多樣性的分類(lèi)單元中，我們可以獲得數(shù)以千計(jì)的線粒體基因組，所以現(xiàn)在我們可以操縱這些數(shù)據(jù)，讓它自己說(shuō)話。”

分析顯示，線粒體保留的基因與其自身結(jié)構(gòu)的建造有關(guān)，否則就有被細(xì)胞核放置錯(cuò)位的風(fēng)險(xiǎn)。而且，這些基因所在的DNA通過(guò)一種非常古老的形態(tài)緊密連結(jié)起來(lái)，從而不會(huì)被分解。威廉姆斯和約翰斯頓認(rèn)為，這種通常不會(huì)在我們自身DNA中存在的設(shè)計(jì)，很可能就是防止線粒體基因在線粒體制造能量時(shí)不被分解的原因所在。

在線粒體內(nèi)部制造能量——以三磷酸腺苷(ATP)的形式——的時(shí)候，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生自由基。自由基也是受到輻射損傷的常見(jiàn)副產(chǎn)物。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，線粒體制造能量的同時(shí)也會(huì)伴隨一定的損傷，而線粒體本身也能夠承受這樣的損傷。“在這種的環(huán)境下，你需要有專(zhuān)業(yè)的工作者，因?yàn)榧?xì)胞核并不一定能勝任這項(xiàng)工作，”威廉姆斯說(shuō)道。

研究人員還觀察到，線粒體基因的丟失在真核生物界內(nèi)呈現(xiàn)出相同的模式。這或許告訴我們，演化可能以同樣的路徑進(jìn)行了許多次，而且并不總是隨機(jī)的過(guò)程。在細(xì)胞內(nèi)部環(huán)境中，不同生物體線粒體基因丟失情況的演變變得幾乎是可預(yù)知的。“如果我們能夠利用好過(guò)去歷史中的演化數(shù)據(jù)，就可以對(duì)未來(lái)發(fā)生的情況作出預(yù)測(cè)，為合成生物學(xué)和疾病探索提供巨大的可能性，”約翰斯頓說(shuō)道。

通過(guò)自己開(kāi)發(fā)的算法，研究人員下一步的計(jì)劃是探索線粒體疾病發(fā)生的原因。這類(lèi)疾病通常會(huì)帶來(lái)災(zāi)難性后果。盡管這項(xiàng)研究還不能完*我們?yōu)槭裁催€保留線粒體DNA的問(wèn)題，但論文作者稱，研究結(jié)果的確為爭(zhēng)論中的許多不同觀點(diǎn)找到了一個(gè)中間地帶。