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为何我们细胞的能源工厂拥有它们自己的DNA?

2020/3/26 0:59:45来源:新浪娱乐 编辑:李敏萱

之道网导读:基因的化学组成本身也会影响基因在哪里存在。化学上能够忍受线粒体内恶劣条件的基因比起容易降解的基因,更有可能留在线粒体内。......

细胞生物学中最大的谜团之一是,为何线粒体(供应细胞能量的卵形结构)拥有它们自己的DNA,并且为何在细胞本身具有充足的遗传物质的情况下,线粒体还能保持它们自己的遗传物质?一项新的研究或许已经找到了一个答案。

科学家们认为线粒体曾经是独立的单细胞生物,大约在10亿年前,线粒体被更大的细胞吞食了。然而它们并没有被消化掉,反而在大细胞里定居下来并且和它们的宿主一起演进出互益关系,最终导致像现在的植物和动物那样更为复杂的生命的兴起。

随着时间的推移,线粒体里的基因组在缩小。现在细胞物质绝大部分,甚至帮助线粒体执行其功能的基因,都在细胞核里。比如,人类的线粒体里现在只有37个基因,而细胞核里则有两万多个基因。在几亿年里,线粒体里大多数基因跃入细胞核内。但是如果这些基因是可以移动的,那为何线粒体内还保留有基因?特别是考虑到其中一些保留下来的基因的变异会导致罕见但后果严重的疾病,会慢慢摧毁患者的、、心脏以及其他一些重要。

科学家们反复思考一些可能的理论,但一直没有坚实的数据能够让人做出选择。

于是英国伯明翰大学的生物学家IainJohnston和美国麻省理工怀特黑德生物医学研究所的生物学家BenWilliams构建了模型,首次利用数学方法来对比不同的假设。他们分析了来自于动物、植物、真菌和原生生物(比如阿米巴虫)超过2000种不同的线粒体基因组。他们追踪了这些基因组的进化途径并创立了一个运算法则来计算不同基因和基因组合在某些特定的时间点里丢失的概率。

“这一类研究很少使用建模的方法,这是这一研究的创新之一。”加拿大温哥华不列颠哥伦比亚大学的生物学家KeithAdams说道,他没有参加这一研究。

线粒体的产能过程涉及到一套发生在膜上,通过传递(高能)电子来进行的化学反应(译者注:专业术语称为电子传递链)。在这套反应中,有一类镶嵌在线粒体内膜上的蛋白复合体(即结合在一起的一大团蛋白)起到了关键的作用。所有线粒体内所保留的基因都有助于用某种方式产生能量。但是研究团队发现那些能够产生位于这些蛋白质结构中心部位的蛋白质的基因更容易保留下来。那些负责能量产生外围功能的基因,则更有可能转移到细胞核内,研究团队在今天出版的《CellSystems》杂志上报导道(http://www.cell.com/cell-systems/abstract/S2405-4712(16)30029-1).

为何我们细胞的能源工厂拥有它们自己的DNA?

“把这些基因留在线粒体内是细胞独立控制线粒体的一个方法。”Johnston说道,因为一些关键的蛋白质是在线粒体内产生的。这种就地控制的方式意味着细胞能够更快更有效地对于单个线粒体即时即地调控其能量的产生,而不是大范围地改变细胞内几十万个线粒体。例如,出了故障的线粒体能够单独修复,而不是产生可能会导致丧失平衡的地毯式的、整个细胞范围内的应答反应。

这就像对付着火灾那样,伦敦大学学院的生物学家JohnAllen说道,他没有参与这项研究。如果一幢大楼里有一间房着火了,你不需要给大楼经理打电话以获得他的灭火许可,你直接拿起灭火器灭火即可。

“我认为这是一个非常基础的反馈机制。”Allen说。在他自己的研究中,他发现的证据表明就在线粒体需要的地方生产线粒体蛋白质有助于细胞更好地调控能量的产生。这种就地控制的方式对我们细胞内的其他结构同样有益。但只有曾作为独立细胞存在的线粒体拥有自身的命令中心。

Johnston和Williams的模型也指出了其他一些或许也很重要的因素。例如,如果基因编码的线粒体蛋白质是疏水的,这些基因更有可能留在线粒体内。如果这些蛋白质是在细胞内其他地方制造的,那么它们可能会在运输过程中被卡住,所以在线粒体内制造这些蛋白质会更有效。

基因的化学组成本身也会影响基因在哪里存在。化学上能够忍受线粒体内恶劣条件的基因比起容易降解的基因,更有可能留在线粒体内。

Johnston认为他和Williams一起开发出的计算机程序不仅仅可以用于筛查线粒体基因组。这一算法还可以用来分析在历史过程中任何单一性状的丢失或获得,无论那是基因还是疾病症状。他希望应用这一思路这一模型能够对未来预测也有帮助,比如对于的演进。


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