為何我們只遺傳母親的線粒體？清華薛定和港中文姜秉昊教授Nature子刊

妙手生春 2024-05-28 00:37:23

為何我們只遺傳母親的線粒體
？清華薛定和港中文姜秉昊教授Nature子刊

2016年10月19日訊最近

，清華大學(xué)薛定教授和香港中文大學(xué)姜秉昊教授的聯(lián)合課題組在線粒體遺傳領(lǐng)域取得重要突破

。他們以線蟲為模式生物發(fā)現(xiàn)了調(diào)節(jié)父系線粒體選擇性清除的一個(gè)關(guān)鍵機(jī)制

，即線粒體分裂和融合之間的平衡

。這一成果發(fā)表在近期的Nature子刊《Nature Communications》上

。

眾所周知，線粒體在哺乳動(dòng)物中是遵循母系遺傳規(guī)律的

，即個(gè)體的線粒體DNA只能從母親那里遺傳而來

。在受精卵發(fā)育的過程中，來自卵子的線粒體會(huì)得以保留并繼續(xù)擴(kuò)增

，而來自精子的線粒體則會(huì)逐步消亡

。自噬過程--這一細(xì)胞通過形成雙層膜的自噬小體以清除衰老、損壞或多余細(xì)胞組分的機(jī)制--被認(rèn)為參與了上述受精卵中父系線粒體的選擇性清除

。受精卵究竟是怎樣將父系和母系的線粒體區(qū)分開，并將其中一種清除的呢

？

我們知道

，精子（父系）線粒體和卵子（母系）線粒體之間在形態(tài)上有著明顯差別：精子染色體呈球狀

；而卵子染色體呈通常的管狀。這一差別為觀察二者在胚胎中的動(dòng)態(tài)提供了有利條件

。

研究者首先發(fā)現(xiàn)

，發(fā)生于drp-1基因的tm1108突變和fzo-1基因的tm1133突變，可分別導(dǎo)致胚胎中線粒體分裂和融合缺陷

，分別導(dǎo)致產(chǎn)生超長多分枝和過度碎片化的線粒體形態(tài)

。然而，這兩種突變的效應(yīng)并不止于線粒體的分裂和融合

。正常情況下

，野生型胚胎到了64細(xì)胞階段時(shí)，父系線粒體就已被完全清除

。然而，當(dāng)將tm1108突變的精子和卵子雜交后，所產(chǎn)生的胚胎中父系線粒體的清除被顯著延遲

，直到胚胎發(fā)育到具有500個(gè)左右細(xì)胞時(shí)才可完成

。同時(shí)，若野生型卵子與tm1108突變精子雜交

，父系線粒體的清除也會(huì)受到類似的延遲影響

。相反地，在tm1108突變卵子和野生型精子產(chǎn)生的胚胎中

，父系線粒體的清除幾乎仍照常進(jìn)行

。這說明，精子--而非卵子--中的線粒體分裂機(jī)制可能影響到胚胎中父系線粒體的選擇性清除

。

tm1133突變對于父系線粒體選擇性清除的影響則更為微妙

。當(dāng)野生型卵子遇到tm1133突變精子時(shí)，胚胎中父系線粒體的清除過程稍有加快

，在32細(xì)胞階段完成

；當(dāng)tm1133突變卵子遇到野生型精子時(shí)，父系線粒體的清除過程則被明顯延遲

，直到500個(gè)左右細(xì)胞的階段才完成

；而當(dāng)精子和卵子均攜帶tm1133突變時(shí)，前述兩種方向相反的效應(yīng)則相互抵消

，胚胎中父系線粒體的清除過程照常進(jìn)行

，仍會(huì)在64細(xì)胞階段完結(jié)。類似地

，卵子中的tm1108突變也可抵消tm1133突變所帶來的線粒體碎片化和清除延遲效應(yīng)：當(dāng)tm1108和tm1133雙突變卵子與野生型精子雜交后

，胚胎中的線粒體形態(tài)和父系線粒體清除過程一切如常。

那么

，這兩種突變究竟是如何影響胚胎中的線粒體形態(tài)和選擇性清除的呢

？在正常情況下

，精子線粒體主要位于精子進(jìn)入受精卵的近細(xì)胞表面處，這時(shí)會(huì)有大量的自噬小體聚集此處

，以將精子線粒體逐步清除

。然而，在tm1133突變卵子與野生型精子產(chǎn)生的受精卵中

，自噬小體則會(huì)分散在整個(gè)細(xì)胞

，這很可能是因?yàn)閠m1133突變導(dǎo)致的卵子線粒體高度片段化極大了吸引了自噬小體的“注意力”，從而使后者無法集中精力清除精子線粒體

。另一方面

，卵子中的tm1108突變則可逆轉(zhuǎn)上述過程。這說明

，fzo-1基因可通過影響卵子線粒體的形態(tài)特征

，決定了受精卵中自噬小體的分布，從而改變了精子線粒體的清除速率

。

事實(shí)上

，當(dāng)精子線粒體進(jìn)入卵子后，其線粒體膜上的通透性立即加大

，跨膜電位會(huì)迅速消失

，同時(shí)線粒體嵴的結(jié)構(gòu)也很快解體，而上述變化則會(huì)吸引受精卵中的自噬小體前來將其清除

。另一方面

，tm1133突變存在時(shí)，卵子線粒體也會(huì)因分裂過度而出現(xiàn)異常

，包括跨膜電位下降

、線粒體嵴結(jié)構(gòu)破壞和基質(zhì)中大型內(nèi)含體的形成，導(dǎo)致一部分吞噬小體前來聚集

，因此與精子線粒體在“爭取”吞噬小體上產(chǎn)生了競爭關(guān)系

，延緩了精子線粒體的選擇性清除進(jìn)程。這時(shí)

，如果精子線粒體因帶有tm1108突變而出現(xiàn)分裂頻次下降時(shí)

，其在胚胎中的清除過程則會(huì)被進(jìn)一步延緩。

謎底就這樣的揭開了

。原來

，胚胎中的父系線粒體之所以被識別并清除，在于線粒體本身的狀態(tài)

，即是否處于可被自噬小體識別的異常狀態(tài)

，而這種異常狀態(tài)并非只能出現(xiàn)于父系線粒體。線粒體越是過度分裂，其異常則越明顯

，從而越容易吸引來吞噬小體將其清除

。反之，線粒體越是傾向于融合

，則其越難以被自噬小體清除。

這一發(fā)現(xiàn)揭示了線粒體母系遺傳這十分根本的生物學(xué)現(xiàn)象背后的發(fā)生機(jī)制

，顯示了線粒體動(dòng)態(tài)對于其早期胚胎中的清除速率和選擇性的決定作用

。

為什么線粒體里只遺傳母親的DNA

研究表明,在所有高等真核生物中,線粒體DNA一般表現(xiàn)為母系遺傳的特征,包括人類、其他哺乳類動(dòng)物

、兩棲類動(dòng)物

、魚類等
因?yàn)榫痈叨葷饪s,基本上只剩下細(xì)胞核和頂體.
精子中的線粒體為其運(yùn)動(dòng)供能,數(shù)量與卵細(xì)胞中的不可同日而語.
其差異確實(shí)小于核基因.
另外,線粒體是母性遺傳,和母親的是一樣的,只是存在變異.現(xiàn)在有人通過線粒體DAN來研究人類的起源.發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代人類都起源與同一母親

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