综述：线粒体DNA的细胞内选择机制

《Biochemistry (Moscow)》：Mechanisms of Intracellular Selection of Mitochondrial DNA

本文系统综述了“自私”线粒体DNA（mtDNA）在细胞内获得选择优势的潜在机制。作者指出，mtDNA的选择发生在分子、细胞器、细胞及个体等多个层面，这种多层级选择压力导致了对细胞或个体有害但对自身复制有利的mtDNA变体（即自私mtDNA）的出现。文章重点探讨了自私mtDNA通过增加复制起始频率、利用大片段缺失缩短复制时间、逃避线粒体自噬（mitophagy）及核酸酶降解等机制获得细胞内竞争优势，并认为这种压力驱动了真核生物单亲遗传、种系细胞mtDNA拷贝数控制等防御机制的演化。

　　

引言

真核细胞通常包含多个线粒体DNA（mtDNA）拷贝。当细胞中存在不同的mtDNA变体时，这种状态被称为异质性（heteroplasmy）。在细胞分裂过程中，mtDNA分子随机分配到子代细胞中，经过多代随机遗传漂变，最终可能导致细胞后代仅保留一种mtDNA变体，即达到同质性（homoplasmy）。

然而，mtDNA的进化并非完全随机。自然选择在分子、细胞器、细胞乃至个体等多个组织层面同时发挥作用。这种多层级选择可能导致选择方向不一致，即一个mtDNA变体在某一层面具有高适应性，而在另一层面适应性却很低。当有害的mtDNA突变在细胞内水平获得复制优势，但对细胞或整个生物体有害时，这些变体便符合“自私遗传元件”（selfish genetic elements）的定义，被称为自私mtDNA。

自然界和实验系统中的细胞内选择与自私mtDNA

自私mtDNA的存在已在多种生物和实验系统中得到证实。

在人类中，含有缺失的mtDNA变体在分裂后组织（如心肌细胞）中的克隆扩增（clonal expansion）是细胞内选择的有力证据。研究表明，随着年龄增长，某些细胞中突变mtDNA的比例显著增加，且不同组织中的突变谱存在显著差异，这暗示了正选择的存在。例如，在老年小鼠的体细胞中，位于mtDNA复制起点（OriH）区域的突变表现出正选择特征。

在医学实践中，自私mtDNA是线粒体替代疗法（mitochondrial replacement therapy）面临的挑战之一。在某些通过该技术获得的胚胎干细胞系中，母体携带的致病性mtDNA变体逐渐增加，而健康的供体mtDNA却逐渐丢失，这表明致病性mtDNA变体在细胞内具有更高的适应性。

在无脊椎动物中，秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）和黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）的研究也提供了自私mtDNA存在的证据。例如，在果蝇中，一个物种的mtDNA可以取代另一个近缘物种的mtDNA。

在模式生物酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）中，含有大片段缺失的mtDNA变体（rho^-）在与野生型（rho⁺）杂交时，表现出明显的遗传偏向性，几乎只产生rho^-二倍体细胞。这被证明是由于rho^-细胞中mtDNA拷贝数增加，以及rho^-mtDNA变体在细胞内具有更高的适应性。

赋予自私mtDNA细胞内优势的假说机制

尽管自私mtDNA的存在已被证实，但其获得竞争优势的具体机制尚不完全清楚。目前存在以下几种假说：

增加复制起始频率

该假说认为，mtDNA复制起点（origin of replication）的突变可能导致某一mtDNA变体的复制起始频率高于其他变体。即使复制频率的微小增加，经过多轮复制后，也可能导致一个mtDNA变体在个体发育或跨代过程中取代另一个变体。支持这一假说的证据包括，在老年小鼠中，驱动突变mtDNA积累的驱动因子是位于OriH区域的mtDNA变体；在果蝇中，异质性竞争的“获胜”mtDNA变体也由其非编码区的序列决定。

大片段缺失mtDNA分子的复制速率优势

另一个假说认为，含有大片段缺失的mtDNA变体，由于其基因组长度缩短，完成整个分子复制所需的时间更短，从而获得了复制速率优势。然而，这一机制的有效性取决于mtDNA复制时间与复制起始频率之间的关系。如果同时进行复制的分子比例很小，那么整个分子的复制时间对其细胞内适应性可能没有显著影响。

在mtDNA周转率较高的情况下，例如在mtDNA生物合成活跃或降解增强时，含有缺失的mtDNA变体可能获得优势。例如，在用溴化乙锭（ethidium bromide）处理减少mtDNA含量后，含有大片段缺失的mtDNA变体比全长mtDNA分子更快地重新填充细胞。

逃避mtDNA降解

mtDNA在细胞中不断合成和降解。理论上，mtDNA的降解过程可能对某些mtDNA变体具有选择性。

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  逃避线粒体自噬（mitophagy）： 线粒体自噬是mtDNA质量控制的重要机制。如果自私mtDNA能够编码抑制线粒体自噬或促进线粒体融合的因子，它就可能逃避细胞器水平的质量控制，从而获得优势。一些无脊椎动物mtDNA中的未知功能开放阅读框（ORFans）可能就扮演了这样的角色。
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  逃避核酸酶降解： mtDNA的降解也与线粒体基质中核酸酶的活性有关。如果自私mtDNA的序列缺乏线粒体核酸酶的水解位点，它就能在mtDNA被主动降解的条件下获得优势。例如，一些真菌物种的线粒体基因组含有归巢内切酶（homing endonuclease），能够切割DNA并整合其编码序列，从而作为自私元件在群体中传播。

最弱者的生存

Aubrey de Grey在1996年提出了“最弱者的生存”（survival of the weakest）假说。该假说认为，与功能完全呼吸链相关的野生型mtDNA，可能比无法提供功能性呼吸链组装的突变mtDNA更容易被降解。其机制可能是，功能正常的呼吸链会产生更多的活性氧（ROS），导致mtDNA损伤，从而引发降解。然而，这一假说尚未得到实验证实，且存在相反作用的因素。例如，mtDNA复制所需蛋白质的输入依赖于线粒体膜电位和ATP含量，因此无法形成功能性呼吸链的突变变体在这方面处于劣势。

结论

mtDNA的选择同时发生在多个组织层面，这导致了自私mtDNA变体的出现。这些变体虽然对细胞或生物体有害，但凭借更快的复制速度或逃避降解的能力，在细胞内获得了竞争优势。真核生物因此面临着持续的自私mtDNA出现压力。作者提出，在真核生物进化的早期阶段，这种压力可能驱动了细胞防御机制的演化，例如多细胞动物种系细胞中mtDNA拷贝数的控制、选择性线粒体自噬以及大多数真核物种中mtDNA的单亲遗传。