为何生物的线粒体DNA只来自母亲

内容来源：中国科技论文在线

科学家发现了为什么线粒体DNA 总是由母亲、而不是父亲传给孩子的线索。

和大多数细胞一样，精子包含许多能够产生能量的线粒体（线粒体是一种细胞器，左图中红色圆圈的是线粒体膜）。一旦精子为卵子受精后，精子的线粒体就会在细胞器膜中分解（右图）。

线粒体是能够产生能量的细胞器。卵细胞受精后不久，来自精子的线粒体 DNA 就分解了。这项研究发表在 2016 年 6 月 23 日的《科学》（Science）上。一种叫做 CPS-6 的蛋白质将精子中的线粒体 DNA 切开，如此一来精子的线粒体 DNA 就无法产生线粒体为细胞供能所需的蛋白质了。研究人员表示，延长父系线粒体 DNA 的存活时间将会损害胚胎的发育。

该研究的通讯作者，科罗拉多大学博尔德分校（University of Colorado Boulder）的基因学家薛定表示，“这是生物学中存在已久的一个谜团。为什么在这么多生物体中，（只有）母系线粒体遗传给了后代？”

几百万年前，线粒体是简简单单的细胞个体。但是现在它们却为更复杂的细胞供能，而且还保存了自己的基因组。它们的 DNA 比细胞核中的 DNA 更简单，更短。

薛和他的合作者使用电子显微镜来观察秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans ）的精子为卵细胞受精的过程。图像显示，父系线粒体从内部开始分解。为了搞清楚什么基因“从中作祟”，研究人员研究了当某些基因不再活动时细胞内发生的变化。他们识别出了能够表达产生出 CPS-6 蛋白质的基因，它就是“罪魁祸首”。

一般来说，CPS-6 控制着细胞程序性死亡的过程。这个过程能够帮助机体平衡衰老细胞和新生细胞。但是薛的团队发现，在受精过程中，CPS-6 能够进入线粒体的最内层，并把储存在那里的线粒体 DNA 切成碎片。线粒体 DNA 为线粒体的关键功能发出指令。失去这些指令后，线粒体就会失效。

不过，CPS-6 并不单独行动。此前其他科学家发现了另外一个不同的过程，叫做细胞自噬，它能够在受精后分解线粒体(SN: 1/1/2000, p. 5)。细胞自噬利用卵细胞的专门结构将父系线粒体一点点移除，并将其分解，就好像垃圾回收队一般。这两种机制似乎是共同作用的：没有 CPS-6作为行动标志的话，细胞自噬就不会如此迅速地移除多余的线粒体。

薛表示，“我们的研究首次发现父系线粒体与母系降解机制共同协作，确保所有的父系线粒体被清除。”

一旦父系线粒体清除过程被延误，那么胚胎死亡的风险就会增加。这项研究显示，父系线粒体 DNA 会影响胚胎的正常发育过程，但是科学家们尚不清楚背后的原理。

我们还不了解人类身上是否也有同样的线粒体移除机制。巴黎第六大学的生物学家 VincentGaly  （他没有参与上述研究）称，“我们可以想象人类也有类似的机制，但是这点尚未被证实。”

CPS-6 蛋白质和某种已知的人体中的蛋白质相似，它也能控制这两个物种的细胞死亡过程。但是对苍蝇和小鼠的研究表明，精子失去线粒体的时间因物种而异。因此父系线粒体凋亡的过程在物种间略有变化。