为什么我们仍保留线粒体DNA?

【字体: www.ebiotrade.com 时间:2016年02月22日 来源:生物通

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  最近,分析进化过程中线粒体基因缺失的数学家和生物学家称,对于“为什么我们仍然保留有线粒体DNA?”做出了一种解释:线粒体DNA对于细胞核内的编码太重要了,因此逐渐进化为可抵御线粒体内的有害环境。相关研究结果发表在2月18日的《Cell Systems》。

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生物通报道:线粒体看上去像细菌,这外观并非伪装:它们从前是自由生活的细菌,后来大约在20亿年前适应了寄生在大细胞里的生活。它们还保留了基因组的一个碎片,作为曾经独立存在的印记。由于被我们常见的单细胞祖先消耗,这个“能源动力室”细胞器已经失去了其2000个以上的基因。仍然有少数基因留了下来,这取决于有机体,但问题是:为什么。最近,分析进化过程中线粒体基因缺失的数学家和生物学家称,一种解释是,线粒体DNA对于细胞核内的编码太重要了,因此逐渐进化为可抵御线粒体内的有害环境。相关研究结果发表在2月18日的《Cell Systems》。

本文共同作者、美国Whitehead生物医学研究所博士后Ben Williams指出:“这并不是说,‘缺失’的基因不再存在于许多情况中,而是说,细胞核产生了蛋白质,蛋白质进入线粒体,但是当你在细胞核中拥有这一切时,为何还要在线粒体中存在呢?这就像是说,你有一所中心图书馆,所有的书都在里面,但我们却打算将一部分书保存在一个漏水的小屋中。”

尽管我们与线粒体有着长期的关系,但是,我们的细胞和很多这些共生细胞器是如何共同工作的?仍然是神秘的和有争议的。我们知道,线粒体的获得,通过给真核细胞(我们的生命界)的共同祖先供以能量以让它们多细胞化,可能引发了历史上一个最重要的进化事件。我们知道,我们每个细胞都可能拥有几十个或数百个线粒体,这对于“为一切事物(从肌肉到大脑)提供能量”是必不可少的。但奇怪的是,在几乎所有的多细胞生物体中,线粒体通过控制一些重要基因而保持独立——尽管对于细胞来说,这比把这些基因储存在细胞核中更为安全。

为了弄清“是什么使得线粒体中的一些基因如此重要?”,Williams和通讯作者、伯明翰大学的研究员Iain Johnston,把产生的关于线粒体基因的所有数据丢进电脑。几个星期后,采用Johnston开发的算法,计算机得出了进化史上线粒体基因缺失的时间线。

Johnston说:“线粒体保存它们自己的基因,对其潜在的原因,已经讨论了几十年,这是第一次用数据驱动的方法来解决这个问题。一个事实发挥了促进作用,即,有成千上万的线粒体基因组来自于一组非常广泛的可用类群,现在我们可以利用这些数据,让它为自己说话。”

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分析显示,在线粒体中保留的基因,与构建细胞器的内部结构有关,否则,就处于被细胞错放的危险当中,这些基因中的DNA利用了一种非常古老的模式,可让线粒体DNA紧密结合在一起,并不易于分开。Williams和Johnston认为,这种设计通常存在于我们自己的DNA中,很可能在线粒体能量生产过程中阻止线粒体基因的分离。

随着能量以ATP的形式在线粒体内产生,自由基被释放出来——相同的自由基,是辐射的一种常见副产物。在本质上,由线粒体产生的动力伴随着一定的破坏,有可能是,线粒体能够抵挡这样的损伤。

研究人员还发现,发生在真核生物界的线粒体基因缺失,是遵循着相同的模式。这是一个教训:进化可能多次遵循相同的路径,并不是总是这样完全随机的过程。在细胞环境中,线粒体基因演变的损失,在不同的生物体之间是几乎可以预见的。Johnston说:“如果我们能够利用进化在过去已经完成的数据,并对它会去哪里作出预测陈述,那么,探索合成生物学和疾病的可能性将是巨大的。”

利用他们的算法,两人计划更进一步地探索叶绿体,以及线粒体疾病(这往往是非常毁灭性的)。虽然这项研究并没有解决为什么我们仍然有线粒体DNA,但是作者说,它确实为许多有争议的论点,找到了一个折衷点。

在去年7月份,《PNAS》发表的一项论文,也就“线粒体为什么保留自身基因组”这个问题进行了探讨。一项国际合作研究产生了一个有趣的假说:线粒体基因组编码疏水膜蛋白,如果它是在细胞核中编码,就会被信号识别颗粒(SRP)过滤,并被错误地引入内质网中(PNAS:为什么线粒体保留自身基因组?)。而在更早些时候,更是有学者颠覆了当前的线粒体起源理论,弗吉尼亚大学研究人员开展的一项研究,使用新一代DNA测序技术,解码了18种线粒体近缘细菌的基因组,表明寄生菌是给细胞供给能量的线粒体的第一代表亲,在它们变成有益之前,首先充当这些细胞中的能量寄生虫,相关研究发表在2014年10月份的《PLOS One》杂志(华人学者颠覆当前的线粒体起源理论 )。而在今年伊始,一个国际科学家小组在《EMBO Journal》发表的一项研究首次发现,线粒体——细胞的发电厂,对于衰老来说是必不可少的,从而引起了学术界的广泛关注(首次证明线粒体是衰老的关键)。

(生物通:王英)

生物通推荐原文:
Cell Systems, Johnston and Williams: "Evolutionary inference across eukaryotes identifies multiple pressures favoring mtDNA gene retention" dx.doi.org/10.1016/j.cels.2016.01.013

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