《Journal of Mitochondria, Plastids and Endosymbiosis》：From endosymbiont to signalling hub: evolution and functional integration of mitochondria
线粒体是将营养物质来源的能量转化为三磷酸腺苷（ATP）的必需细胞器，为生命活动提供所需的能量。除能量产生外，线粒体还是高度动态的结构，能够适应代谢条件、环境影响和细胞需求。其形态和ATP生产效率可有显著差异，反映了其功能灵活性。当前的系统发育基因组学研究通过阐明线粒体谱系的演化位置，并为参与真核生物发生（eukaryogenesis）的古菌宿主提供见解，已进一步完善了内共生理论。解释线粒体起源的理论通常分为原始动物（archezoan）假说和共生发生（symbiogenetic）模型。根据被广泛接受的内共生框架，现代线粒体基因组是α-变形菌（alpha-proteobacterial）祖先的一个缩减遗迹，该祖先在早期真核生物演化过程中被整合到宿主细胞中。然而，这一内共生事件相对于其他关键真核特征出现的确切时间仍不确定。持续的研究发现正不断重塑研究团队对线粒体演化的理解。本综述将线粒体内共生及其后续功能整合与现代线粒体协调代谢、细胞信号传导和应激适应的能力联系起来。这些演化过程建立了线粒体与其宿主之间密切的功能相互依赖性，使线粒体能够整合代谢信号并调节细胞对生理和环境变化的响应。
**引言**
线粒体对于三磷酸腺苷（ATP）的产生和氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）至关重要，该过程将呼吸电子传递与ATP合成相偶联。这些高度动态且多功能的真核细胞器在维持细胞稳态中发挥重要作用，其功能与其形态密切相关。线粒体是极其动态的细胞器，其形状、功能、动力学和组成均由其所处细胞环境中的微环境因素决定。
哺乳动物细胞中的典型线粒体在分解丙酮酸并以氧气作为末端电子受体合成ATP的过程中，生成水和二氧化碳作为终产物。大量证据表明，线粒体起源于细菌细胞与宿主真核细胞之间的内共生关系。早期的系统发育分析提供了证据表明线粒体祖先起源于α-变形菌谱系。考虑长枝吸引（long-branch attraction）和组成异质性（compositional heterogeneity）的近期系统发育基因组学研究表明，线粒体形成α-变形菌的姐妹谱系，而非嵌套于特定的现存α-变形菌目中。
线粒体起源的内共生模型可分为两类：1. 原始动物假说（Archezoan Hypothesis），2. 共生发生假说（Symbiogenesis Hypothesis）。二者的区别在于该细胞器被认为是在真核细胞出现之后或与之同时产生。从系统发育基因组学角度，线粒体谱系被发现是一个细菌内共生体，在系统发育上与现存α-变形菌相关，并可能为其姐妹类群；而宿主谱系属于阿斯加德古菌（Asgard archaea），特别是海姆达尔古菌目（Heimdallarchaeia）中的霍达古菌目（Hodarchaeales）。本综述将重点阐述以下几个方面：阐明线粒体特征、考察线粒体的各种类型、探讨线粒体演化的假说、线粒体基因组演化及线粒体信号传导。
连接这些主题的核心问题是如何将内共生细菌功能性地整合到细胞调控中。来自内共生体的基因转移和蛋白质导入系统的出现，使细胞对细胞核编码的蛋白质产生了高度依赖。如今，这种遗传联系需要双向通讯来协调核与线粒体的活动。因此，研究人员采用功能整合的统一框架来探索线粒体演化和信号传导，区分已确立的细胞机制与关于其演化起源的假说。
**活细胞中的线粒体及其特征**
细胞需要稳定的能量流来建立和维持使其存活并发挥功能的生物学结构。大多数生物活动从ATP获取能量。真核细胞含有线粒体，线粒体通过氧化磷酸化在ATP产生中发挥核心作用，该过程将营养来源的能量转化为ATP。
线粒体现今被认为是多功能细胞器，除了其公认的生物能量学作用外，还协调多种细胞活动。线粒体功能和存活受到活性氧（ROS）、钙稳态和AMP活化蛋白激酶（AMPK）信号的严格调控，而线粒体本身作为核心信号中枢，整合ROS信号、钙稳态、先天免疫应答、细胞凋亡和代谢适应以协调细胞稳态。此外，为维持细胞稳态并协调响应代谢和环境应激的基因表达，线粒体通过顺行和逆行信号通路与细胞核进行双向相互作用。这些功能突显了线粒体整合了细胞存活和适应所必需的生物能量、代谢和信号网络的中心作用。
线粒体是极其动态的细胞器，其形状、功能、动力学和组成均由其所在细胞微环境决定。线粒体网络通过融合与分裂之间的平衡进行动态调控。融合主要由Mfn1、Mfn2和OPA1介导，而分裂涉及FIS1、MFF和DRP1等蛋白。
直径0.5–1 μm的圆形或椭圆形细胞器线粒体被面向细胞质的线粒体外膜（OMM）所包裹。线粒体外膜（OMM）和线粒体内膜（IMM）共同构成线粒体超微结构的双膜结构。IMM由内膜边界膜（IBM）、嵴膜（cristae membranes）和嵴连接（CJs）组成，后者将嵴与IBM连接。由于嵴膜含有高丰度的电子传递链复合物和ATP合酶，它们作为氧化磷酸化和ATP合成的特殊膜结构。OMM含有孔蛋白，即电压依赖性阴离子通道（VDACs），允许分子和胞质阴离子最大约5 kDa通过。IMM向内折叠向线粒体基质方向形成嵴。
在人类中，线粒体DNA（mtDNA）是一个约16,569碱基对的环状双链DNA分子，包含37个基因。其中13个编码OXPHOS相关多肽，22个编码转运RNA，两个编码12S和16S核糖体RNA。
复杂的内共生演化过程可能涉及渐进步骤，如获取蛋白质和RNA导入机制、修饰内共生体膜、大量基因向细胞核的转移、内膜内陷形成、协调生化通路以及将线粒体分裂整合到细胞周期中。线粒体的演化起源不仅塑造了其遗传和生化特性，也塑造了其结构组织。因此，理解线粒体形态对于解释这些细胞器如何支持多样的细胞功能至关重要。
**线粒体的形态学类型**
线粒体功能与细胞器结构密切相关，后者根据细胞需求进行动态调控。线粒体的结构组织可在多个层面上被修饰，以确保其适应所在细胞的特定需求。已有研究表明，在某些正常细胞中线粒体经历重复的动态重组，并且这些细胞器相关的形态变化也已在多种人类疾病中被观察到。因此，线粒体形态不仅是结构特征，也是细胞稳态、凋亡、质量控制、代谢适应和线粒体功能的重要决定因素。通过融合与分裂，线粒体网络被动态重塑，使细胞能够快速响应生理和病理状况的改变。
在线粒体去极化后，电子显微镜显示线粒体可呈现环形、C形和球形形态，并具有与胞质相通的内部管腔。不同于内皮中的管状线粒体网络，天然血管平滑肌中的线粒体是卵圆形细胞器。骨骼肌中可见两个独立的卵圆形线粒体群体：一个嵌入肌原纤维内，另一个位于肌膜附近。肌细胞中的线粒体表现出比肝细胞线粒体更强的代谢物产生能力，而能量转换能力相对较低。响应细胞应激时，肝细胞中的线粒体形态发生转变，呈现C形构象。
显然，线粒体形态和功能的改变发生在细胞发育和衰老过程中。与静息细胞相比（呈相对较短且碎片化的形态），增殖细胞表现出更丰富的管状线粒体以及线粒体融合蛋白表达的上调。生物能量功能与线粒体形态密切相关。分裂通过分离受损细胞器进而通过线粒体自噬清除来促进线粒体质量控制，而融合则促进线粒体内容物的交换、维持mtDNA完整性并支持有效的氧化磷酸化。因此，融合-分裂动态的紊乱与代谢功能障碍、凋亡及多种病理状态相关。
在决定线粒体功能的结构特征中，嵴是线粒体最具特征性和演化保守的组成部分之一。结构生物学和系统发育基因组学的近期进展已大大改变了对其演化起源的理解。由线粒体内膜折叠形成的嵴被认为是有氧线粒体的定义性特征，长期以来被视为内共生之后产生的真核创新。新研究反驳这一观点，表明嵴可能是古代α-变形菌中存在的胞质内膜系统（ICMs）的同源结构。参与形成嵴连接的MICOS复合物具有深远的演化历史，作为源自祖先细菌谱系的基本组分；即Mic60亚基（MICOS的核心）在线粒体和α-变形菌中均具有保守基序，包括两亲性脂质结合螺旋。Mic60亚基还与细菌Sam50线粒体同源物BamA相互作用，表明参与膜组织的组分存在于内共生发生之前。MICOS建立嵴连接的基本机制似乎是保守的，尽管不同谱系的真核生物在嵴形态上表现出显著多样性。对226个真核物种的调查突显了这种演化灵活性，揭示了从层状到管状-泡状形式的嵴结构。这些发现表明，嵴的演化特化与新的结构发展无关，而是与细菌中古老的、预先存在的膜重塑机制的灵活适应有关，该机制已被改变以满足真核细胞的能量需求。除显着的结构多样性外，线粒体还表现出显著的功能多样性，特别是在有氧和厌氧条件下的能量代谢方面。
**按ATP产生划分的线粒体类型**
哺乳动物细胞中的典型线粒体使用氧气作为末端电子受体以支持氧化磷酸化和ATP合成。从葡萄糖氧化获得的ATP分子数量取决于所采用的代谢途径，而这一产率的估计也随计算中所做的假设而异。质子泄漏（proton leak）通过使质子不经过ATP合酶而返回线粒体基质来影响线粒体效率。因此，呼吸产生的部分能量被消耗而不是以ATP形式捕获。因此，单一固定的每葡萄糖ATP产率无法充分代表不同代谢和线粒体条件下ATP产生的变化。与哺乳动物细胞类似，植物和原生生物等单细胞真核生物拥有有氧线粒体并适应含氧环境。
有氧线粒体以氧气为末端电子受体，而厌氧线粒体则采用依赖苯醌（rhodoquinone）且与富马酸还原相耦联的电子传递系统。厌氧环境中的原生生物如阴道毛滴虫（Trichomonas vaginalis）的氢化酶体（hydrogenosome）通过底物水平磷酸化产生ATP并释放氢气。相反，肠贾第虫（Giardia intestinalis）的线粒体退化体（mitosome）参与铁-硫（iron-sulphur）簇的组装而不产生ATP。氢化酶体和线粒体退化体均被两层膜包围且不含嵴。放大图聚焦于嵴连接（crista junction），这是嵴膜与内膜边界膜之间的狭窄连接。
相较之下，已有几组无脊椎动物中鉴定出厌氧线粒体，其在氧化磷酸化过程中利用替代末端电子受体代替氧气。兼性厌氧线粒体以富马酸为替代末端电子受体，而苯醌啶将电子转移到富马酸还原酶，导致琥珀酸形成和ATP合成。不同真核生物中厌氧能量代谢的ATP产生差异相当大，因为代谢途径、底物和末端电子受体在不同生物间有所不同。这些生物在整个生命周期中总是在无氧条件下产生ATP；海洋或淡水沉积物均可作为例子。在克雷布斯循环被电子传递链参与修饰的过程中，二氧化碳、乙酸、丙酸和琥珀酸是产生的终产物。
如上所述，大多数真核生物拥有促进ATP产生的特化细胞器。一些厌氧微生物真核生物含有氢化酶体（hydrogenosomes），即产生H?的线粒体同源物。它们为利用H?的内共生古菌提供了罕见的细胞内生态位。厌氧纤毛虫Nyctotherus ovalis的氢化酶体具有线粒体基因组，这为其线粒体祖先提供了直接的分子证据。氢化酶体最初在parabasalid阴道毛滴虫中被鉴定。这些细胞器具有双膜和蛋白质导入机制，但缺乏常规的电子传递链和氧化磷酸化系统。因此，氢化酶体适应于在不使用氧气作为末端电子受体的条件下产生ATP。氢化酶体中的ATP产生通过丙酮酸代谢过程中的底物水平磷酸化发生。氢化酶体中ATP的产生通过底物水平磷酸化而非氧化磷酸化进行；其对总产量的ATP贡献根据生物的代谢途径而变化，并且必须与细胞质中糖酵解产生的ATP区分开来。
已在生活于永久性无氧和富含硫化物的海洋沉积物中的蜕皮动物中描述了类氢化酶体细胞器。然而，由于它们与电子显微镜观察到的氢化酶体在结构上相似，其存在仅被推断，尚未提供关于其生理功能的生化信息。
某些真核生物中发现的其他类型的线粒体被称为mitosome。与氢化酶体一样，mitosome是线粒体相关细胞器（MROs），经历了广泛的还原演化，通常缺乏线粒体DNA。Mitosomes（双层膜结合细胞器）与氢化酶体之间的根本区别在于ATP产生的参与。与氢化酶体不同，mitosomes不能合成ATP或H?。含有mitosome的真核生物如溶组织内阿米巴（Entamoeba histolytica）、隐孢子虫（Cryptosporidium parva）、肠贾第 λ（Giardia intestinalis）尚未被证明能够自身产生ATP。在细胞质中每摩尔葡萄糖约可产生2–4摩尔ATP，同时产生二氧化碳、乙醇和乙酸作为代谢终产物。因此，由于能量需求高，大多数多细胞生物既不具有mitosomes也不具有氢化酶体。Mitosomes不参与能量代谢；然而，它们仍保留铁-硫簇形成机制。Fe-S簇形成被认为是线粒体的唯一基本功能，负责细胞中含Fe-S蛋白的形成。现生线粒体观察到的显著多样性反映了漫长的演化历史。因此，理解线粒体功能还需考虑产生这些细胞器的演化过程。
**线粒体演化的假说**
***原始动物假说***
原始动物假说（archezoan hypothesis）即吞噬古菌理论是一种线粒体晚期模型，该模型提出一种原始真核宿主在多种真核细胞特征出现后才获得线粒体祖先。正如Cavalier-Smith最初提出的“原始动物假说”，一个α-变形菌被一个有丝分裂活跃的真核宿主细胞内的吞噬体所吞噬。根据原始动物假说，真核生物的起源可以用“线粒体晚期”（mito-late）或“自生”（autogenous）模型来解释，其中多种真核细胞结构的出现先于线粒体的产生。据推测，α-变形菌在缺乏线粒体的原始宿主细胞（称为原始动物archezoans）中被转化为线粒体。
吞噬营养起源理论（phagotrophic origin theory）提出，宿主细胞的结构在获得吞噬α-变形杆菌能力之前发生了实质性变化。根据这一模型，刚性的细胞壁被更柔性的细胞表面所取代。这种结构柔韧性可能使早期宿主能够通过吞噬作用吞噬其他细胞。由于具有内部细胞骨架而非外部细胞骨架，细胞将能够改变其膜形状以吞噬猎物。目标细胞摄入过程会引起细胞外膜的折叠，从而促进真核生物内膜系统的发育。该模型假设宿主必须摆脱其不灵活的细胞壁并获得吞噬能力，才能摄取线粒体的α-变形菌祖细胞。这些细胞改变被认为与线粒体的获得同时发生，并促进了复杂真核细胞的出现。
线粒体特征为研究真核生物谱系间的演化关系提供了额外的特征。眼虫动物门（Euglenozoa）表现出多种独特的线粒体特征，包括眼虫类和动质体类共有的呼吸链组分，以及细胞色素c生物发生的特殊机制。线粒体超微结构还显示出主要真核生物类群间的显著多样性，例如眼虫动物门主要以盘状嵴为主，与几种囊泡虫类中描述的管状和瓶状形式不同。这些比较旨在说明线粒体的结构和生物化学多样化如何为真核生物演化的假说提供信息。然而，这些基于特征的解读必须结合分子系统发育观察，而不是作为特定嵴形态或特定真核树根部的确定性依据。
根据基于小亚基rRNA基因的早期系统发育模型，微孢子虫（microsporidians）、双滴虫（diplomonads）和毛发菌（parabasalids）被认为是缺乏线粒体的早期分化真核生物。早期研究还注意到，一些推测原始动物谱系中的核糖体大小与原核70S核糖体相似。相比之下，真核生物的核糖体通常为80S大小。与先前鉴定的真核基因相比，在这三个物种（微孢子虫、双滴虫和毛发菌）中发现的SSU rRNA基因在树中分支更早。基于其他分子标记（包括RNA聚合酶亚基、异亮氨酰-tRNA合成酶和大型亚基rRNA）的系统发育分析提供了关于这些类群演化位置的额外信息。最新研究突显了这样一个事实：如果这些类群被接受为所谓的线粒体祖先，那么它们必须早于含有线粒体的真核生物分支。然而，随后的证据揭示了这些生物中残留的线粒体遗迹，表明它们的演化不可能先于线粒体内共生。
以前被归类为原始动物的生物随后被发现含有双层膜结合的线粒体相关细胞器。如前所述，这些细胞器是氢化酶体和mitosomes，它们共同称为MROs。一些MROs保留基因组并产生ATP，而其他则已丢失这些特征。然而，所有线粒体和MROs作为一个整体共同具有铁-硫簇合成这一过程。尽管普遍观点认为所有真核生物均源自一个含有线粒体的共同祖先，但先前被认为处于早期演化阶段的原始动物仍有可能在某个时间点灭绝。虽然原始动物假说提供了早期线粒体演化的解释，但后续的系统发育基因组学证据导致产生真核发生替代模型。
***共生发生假说***
线粒体内共生的另一种观点是共生发生假说（symbiogenetic hypothesis）或线粒体早期（mitochondria-early）模型。共生发生模型强调进真核生物发生过程中不同原核生物伙伴之间长期存在的代谢相互作用。该假说提出，产氢细菌伙伴与产甲烷依赖氢的古菌宿主之间的相互作用，最终导致线粒体祖先。因此，与原始动物假说不同，共生发生假说提出真核生物的演化是由原核生物伙伴之间的相互作用产生的。此外，两种模型之间的区别在于，α-α-变形菌是在一个已经表现出真核特征的宿主细胞出现期间还是在之后变为原线粒体。
最著名的共生发生模型之一是1998年Martin和Müller提出的氢假说（Hydrogen Hypothesis）。氢假说认为，消耗氢的自养产甲烷古菌与能同时进行厌氧和好氧生活的产氢细菌之间的共生关系演化为完全成形的最后真核共同祖先。这些生物之间的共生关系导致了互养相互作用。内共生体（兼性厌氧菌）的氢合成可能是共生关系的主要益处，为宿主（古菌）提供能量和电子。然而，氢假说提出了双部分伙伴关系，而合成营养假说提出了更复杂的三部分相互作用。该模型提出，第一个真核细胞是通过三部分而非双部分共生相互作用产生的。根据这一模型，一个硫酸盐还原的δ-变形杆菌和一个产甲烷古菌形成了基于代谢交换的互养共生关系。这种关联导致这两种微生物融合形成早期宿主细胞和原始细胞核，甚至在线粒体的实际共生起源之前进行。只有在随后的时间点，宿主新细胞才整合了第三个伙伴：一个能够进行有氧呼吸的α-变形菌，即现代线粒体。氢假说提出，线粒体的获得标志着真核生物演化的开始。相比之下，合成营养假说提出了一个中间阶段，涉及一个额外的硫酸盐还原细菌伙伴。必须强调的是，真核生物的发展和细胞核的形成是一个渐进的过程，涉及越来越多参与资源交换的微生物。
存在多种真核发生模型，它们提出古菌与细菌之间的相互作用可能发生的不同机制。根据原始氢假说，古菌宿主和兼性厌氧细菌共生体之间伙伴关系选择在生的机制基于氢从后者向前者的转移。相比之下，由内向外模型（inside-out model）表明古菌宿主利用其细胞膜的延伸包围并吞噬了细菌共生体。这一过程最终形成了真核细胞质和内膜系统。最后，纠缠-吞噬-内化模型（entangle-engulf-endogenize model）表明，古菌宿主能够通过互养作用和古菌突起的延伸逐步整合细菌伙伴。尽管每种模型解释了真核发生的代谢和结构方面，没有模型代表这一过程实际历史的实验性重建。
系统发育基因组学领域的最新进展极大地帮助了识别古菌宿主，无论氢假说或互养假说中提出的代谢途径如何。包括Heimdallarchaeia在内的阿斯加德古菌是真核生物已知最近的原核生物亲属之一。它们的发现改变了我们对原核-真核生物转变发展的理解。这些古菌包含许多真核生物特征蛋白（ESPs），包括肌动蛋白和ESCRT装置，表明真核生物演化的基因组基础在最后真核共同祖先（LECA）起源之前就已存在。为了追踪从第一真核共同祖先（FECA）到完整体LECA的谱系，需要将这些谱系追溯到这些古菌。这一转变可能是渐进的，而线粒体内共生是真核发生中的重大事件。此外，与线粒体呼吸相关的扩增生物能量容量是一个转折点。线粒体呼吸可能增加了支持更大细胞和基因组复杂性的生物能量容量。线粒体获得的能量效应被提出可促进细胞和基因组复杂性的增加。然而，增加的能量可用性在多大程度上直接贡献于特定真核特征的发展仍是有问题的。
此处相关的Asgard类群是Lokiarchaeia、Thorarchaeia、Odinarchaeia和Heimdallarchaeia。研究人员通过与真核生物有关的保守蛋白质的系统发育分析来检验它们与真核生物的联系，包括真核细胞核基因组中的古菌衍蛋白。真核生物的精确位置仍是一个讨论主题。Zhang等（2025）推断了一个在Asgardarchaeota内部的更深起源，但在Heimdallarchaeia之外；而Eme等（2023）则在Heimdallarchaeia的Hodarchaeales内恢复了真核生物与Hodarchaeales之间的姐妹关系。因此，所提出的Heimdallarchaeia–Hodarchaeales关联是一个受支持的系统发育假说，而非普遍接受的分类位置。
培养研究直接提供了对阿斯加德代表细胞的生物学洞见。Imachi等人（2020）培养了与Lokiarchaeia相关的“Candidatus Prometheoarchaeum syntrophicum”菌株MK-D1，该古菌通过互养相互作用降解氨基酸并形成长而分枝的突起。未观察到明显的细胞器样结构。当Rodrigues-Oliveira等人（2023）在富集培养中培养了“Candidatus Lokiarchaeum ossiferum”时，他们发现在细胞体和细胞突起中均存在广泛的基于肌动蛋白的细胞骨架。这些发现为与真核发生模型相关的细胞特征提供了实验支持。然而，这些培养的代表不隶属于当前推断为真核生物最近亲属的同一谱系。两种生物均未被证明是真核生物的直接祖先。
在低氧条件下，α-外生菌伙伴被提出产生H?和乙酸盐，可被古菌宿主消耗，而在富氧条件下，它能进行好氧呼吸。最终，古菌宿主和α-变形菌伙伴变得代谢上相互联系，后者演化为线粒体祖先。内共生基因转移可能随后扩展宿主的代谢能力，包括参与有机碳代谢的途径。从这个角度来看，氢假说强调代谢相互依赖和基因转移是宿主-内共生体整合的主要驱动力。这指出了内共生体废物所获收益以及水平基因转移遗传传递的关键作用。在内共生关系建立之后，宿主与其内共生体之间广泛的基因组整合成为线粒体演化的一个定义性特征。
理解这种基因组整合需要区分真核生物的祖先与其个体基因的祖先。由于所有现存真核生物都追溯至LECA，真核生物被视为全系（holophyletic），即在分支分类学意义上是单系的（monophyletic）。根据保守标记的古菌系统发育基因组研究，真核生物属于阿斯加德古菌组。另一方面，真核基因组具有混合遗传，包含来自线粒体内共生体的基因以及细菌和古菌的贡献。当用术语“并系的”（polyphyletic）来描述这种混合祖先时，它应仅指向as基因组组件的不同演化来源，而非真核生物的多个独立起源。因此，真核生物的单系性与涉及多样原核生物的网状、共生起源一致。
线粒体在真核发生中的作用得到了许多不同证据的支持。尽管线粒体谱系的确切位置仍悬而未决，但系统发育基因组学研究支持线粒体的细菌起源及其与α-变形菌的密切关联。以前被认为是原始无线粒体的生物提供了更多支持。例如，在贾第虫中，含有线粒体铁-硫簇组装蛋白的线粒体退化体的发现揭示了还原性线粒体衍生细胞器的存在。在Monocercomonoides中，线粒体的完全缺失被认为源于与采用替代性胞质铁-硫簇组装系统相关的二次丢失，而非原始无线粒体状态。总的来说，这些发现表明线粒体在现生真核生物谱系分化之前就被获得了。它们证实线粒体确实在真核发生中发挥了作用，但未显示线粒体相对于FECA与LECA之间的其他变化被获得的时间。
基因重复分析为时间争议提供了更多信息。Tria等人（2021）发现了与LECA相关的713个基因组重复事件。细菌基因，特别是与线粒体功能相关的基因，比古菌或真核特异性基因重复更频繁。他们提出这是从线粒体内共生体到宿主基因组的重复基因转移的证据。这表明线粒体在与真核复杂性出现相关的基因扩张之前被获取，从而支持线粒体早期假说。然而，这一结论依赖于准确重建古老的基因历史，并区分来自内共生体的重复转移与其他来源的基因重复。
原始宿主-共生体关系的细胞构成仍不清楚。单核祖细胞不一定仅包含一个线粒体。相反，Skejo等人（2021）提出LECA经历了多核阶段，表明存在多个细胞核和线粒体共享同一细胞质的合胞体（syncytial）状态。在该模型中，细胞核可能相互补充，有助于在整合过程中减少有害突变。然而，该模型未解释最初涉及了多少内共生体，也未暗示线粒体具有多次独立起源。
在比较这些模型时，区分线粒体的起源与其获取时间很重要。线粒体的细菌起源及其与α-。细菌的密切关系已确立。然而，其在细菌演化树中的确切位置仍有争议（Mu?oz-Gómez et al.2022）。在曾被认为不含线粒体的真核生物中发现线粒体衍生细胞器的证据支持了LECA已拥有这些细胞器的观点。这些发现挑战了早期认为这些生物存在于线粒体演化之前的观点。然而，它们不排除已灭绝中间类型的存在，也未显示细胞核、内膜系统或吞噬作用是否在线粒体获得之前或之后演化。
确定线粒体获得时间的尝试已产生不同结论。Tria等人（2021）识别出LECA之前细菌衍生基因重复增加，将其解释为线粒体内共生体在真核生物复杂性上升期间贡献基因的证据，支持线粒体早期假说。相反，Pittis和Gabaldón（2016）分析了标准化的系统发育基础长度，提出宿主谱系在获得线粒体之前更早地收到了细菌贡献。随后，统计资料和序列差异可能反映演化速率变化而非时间流逝的可能性挑战了这一解释。因此，这些方法并不能提供细胞演化的完整时间线。相反，它们提供了对演化历史的不同解读，其结论取决于对基因转移、重复、基因丢失和演化速度的假设。
还有一点需要考虑的是，这些模型并非都涉及相同的问题。氢假说解释了代谢依赖如何使伙伴走到一起，而由内向外模型侧重于膜组织变化如何产生真核细胞区室。纠缠-吞噬-内化模型通过描述从互养伙伴关系到细菌的纳入的进程将代谢和结构挑战联系起来。尽管Asgard古菌已在实验室中培养，显示出其互养关系和细胞突起，但该模型提出的吞噬过程尚未被直接观察到。这些发现使我们能够评估某些阶段的可能性，而无需完全确认整个演化序列。随着FECA向LECA转变，仍有几个关键问题未解决：宿主细胞的复杂性、细菌伙伴的纳入方式以及线粒体整合与其他真核特征出现同时发生的方式。
**线粒体基因组的演化**
近年来，各种研究人员提出了线粒体DNA（mtDNA）可分为两个不同类别（衍生型和祖先型）的假说。衍生型线粒体演化通过大量积累突变与祖先型偏离，通常表现出结构多样性以及总尺寸的显著减小。这种类型的mtDNA包括绝大多数真菌和动物mtDNA，以及在疟原虫等頂複複虫和衣藻等绿藻中发现的mtDNA。这些基因组还经历了核糖体DNA组织、rRNA结构和基因含量的变化。祖先型线粒体基因组被认为具有其真细菌祖先的遗迹。著名的例子是美洲弯曲毛滴虫（Reclinomonas americana）的线粒体基因组，其保留了多种祖先细菌样特征。存在另外的多个基因、几乎完整的tRNA基因集以及包装在主要由编码序列组成且无内含子的基因组中的遗传物质，是祖先型图谱的标志。
由于线粒体起源于α-变形菌谱系，与α-变形菌基因组的比较提供了对线粒体基因组演化的洞见。超过630个编码线粒体蛋白的核基因被提出具有细菌起源。线粒体基因组保留的基因数量显著少于α-变形菌基因组。现存的α-变形菌基因组通常包含约800–8,000个基因，而其共同祖先估计包含约3,000个基因。约30％的推断祖先基因缺少真核生物中的可鉴定同源物。超过40％无真核同源物的基因编码在α-变形菌中保留但未分配功能的蛋白质。线粒体基因组分析表明，原始线粒体祖先基因组包含完整的rRNA和tRNA基因组合及69个独特的蛋白编码基因。在早期线粒体演化中，大多数基因要么从内共生体基因组中丢失，要么转移到宿主核基因组。基因缩减通过丢失一些氨基酸和辅助因子生物合成途径而发生。线粒体基因组减缩后，线粒体演化为复杂的核编码蛋白输入机制。因此，大多数线粒体蛋白由细胞核编码，在胞质中合成，随后输入线粒体。
蛋白导入主要介导于TOM（外膜转位酶）和TIM（内膜转位酶）复合物。这些蛋白导入系统的演化对于核基因组和线粒体基因组的功能整合至关重要。宿主细胞限制了共生体种群，导致获得有害突变。这导致了A+T核苷酸组成比例的增加以及非必需基因的去除，如细胞内寄生虫和Paulinella chromatophora中的蓝藻共生体所例证。
线粒体基因组的减缩在真核生物谱系的多样性化过程中持续进行。雅各布虫类（jakobids）含有已知基因最丰富的线粒体基因组，编码多达66种可识别蛋白。其他真核生物分类单元线粒体基因组中保留的基因通常是雅各布虫类基因的子集，表明其他真核生物谱系中存在广泛的基因丢失。雅各布虫类还因保留细菌型多亚基线粒体RNA聚合酶而与其他真核生物不同。其他真核生物拥有噬菌体型线粒体RNA聚合酶，该酶由细胞核编码，同时具有SecY蛋白转运器。在广泛真核生物范围内观察到的线粒体基因内容差异是由重复（有时可将相同基因转移到细胞核）引起的。线粒体基因组之间的差异反映了适应性进化过程和与突变、编码需求和群体大小相关的基因组中性变化。
**线粒体作为信号细胞器**
线粒体传统上因其通过氧化磷酸化产生ATP的作用而被视为细胞的动力厂，如今已被确立为细胞信号传导的核心参与者。此外，线粒体因其自身DNA（mtDNA）而独具特性，mtDNA由16,569 bp组成，包含37个基因，编码两个rRNA、22个tRNA和13个多肽。在演化为真核细胞的关键参与者过程中，线粒体已被认可为“信号细胞器”，除其能量功能外，还调控ROS产生、钙稳态和程序性细胞死亡等生物过程。此外，线粒体与细胞其余部分之间存在着信息流动，使线粒体得以与不同细胞区室通讯，从而充当细胞信号的接收器。这些认知凸显了线粒体作为多种信号通路基本整合者的作用，这些途径对细胞稳态和病理性过程均产生影响。
线粒体医学的最新进展扩展了我们将线粒体理解为细胞能量中枢的视野。约二十年前，一项重要进展是发现线粒体细胞色素c的释放启动导致凋亡性细胞死亡的信号级联反应。细胞色素c从线粒体释放到细胞质后，结合衔接蛋白并形成凋亡体复合物，随后促进caspase-9和caspase-3的活化，导致数百种靶分子的切割。这种程序性细胞死亡（即凋亡）在发育、组织稳态以及多种疾病（如癌症、心血管疾病和神经退行性疾病）中发挥关键作用。
除其细胞命运调节作用外，线粒体还是参与生理性信号传递和病理性过程的主要活性物质来源。当这些高活性分子过量产生时，它们可与蛋白质、核酸和脂质相互作用并损伤，导致心血管和神经退行性疾病、糖尿病、癌症、肌肉萎缩和衰老等疾病进展。然而，ROS对疾病发病机制的贡献不仅限于大分子损伤。近期关于ROS诱导细胞信号转导的发现确定了对ROS特别敏感的信号转导途径。例如，ROS可通过NF-κB信号传导（炎症和免疫的主要调节者）抑制或激活炎症反应。研究还表明，丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）级联反应是ROS的靶点，在调节细胞生长和存活中起关键作用。总之，这些研究凸显了线粒体来源的ROS的双面性：虽然ROS浓度的急性或慢性增加可能损害大分子结构，ROS也可作为多种细胞信号传导途径的诱导剂。
除ROS外，线粒体核酸也可作为信号传导分子，将线粒体功能障碍与先天免疫反应联系起来。在生理条件下，mtDNA保持限于线粒体内。当线粒体完整性被破坏时，mtDNA可释放到胞质中并作为损伤相关分子模式（DAMPs）激活先天
