為什麼我們細胞的發電廠會擁有它們自己的DNA?

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這是細胞生物學中的一個重大之謎。為什麼有著橢圓形結構,並且為細胞提供能量的粒線體(mitochondria)會擁有自己的DNA,又為什麼在細胞本身有著大量屬於它們自己的遺傳物質時,粒線體會保有自己的DNA?在一項新的研究中,可能已找到了答案。

科學家們認為直到10億多年前,粒線體被更大的細胞吞噬之前,它們曾是獨立的單一細胞有機體。為了避免被消化殆盡,它們安定下來並與宿主建立起彼此互相有利的關係,以至最終能夠崛起成為更複雜的生命形態,如現在的植物和動物。

長時間下來,粒線體基因組已萎縮,如今細胞核在細胞的遺傳物質中佔了主要的一大部分,甚至是由基因來協助粒線體產生作用。例如,在人體當中,粒線體基因組包含了37個基因,而細胞核中甚至有超過20,000個基因。隨著時間的過去,大部分的粒線體基因組進入到細胞核之中。但如果那些基因是移動式的,粒線體到底為什麼保有這些基因,特別是一些在粒線體之中會導致罕見又嚴重損傷身體之疾病的基因,它們會逐漸破壞病人的大腦、腎臟、心臟和其他主要器官。

科學家雖已拋棄了一些觀念想法,但卻沒有任何確實的數據可以超越彼此。

因此英國伯明罕大學(University of Birmingham)生物學家Iain Johnston,以及位於麻薩諸塞州劍橋的懷特黑德生物醫學研究所(Whitehead Institute for Biomedical Research)之生物學家Ben Williams,模擬問題,並且第一次以數學方式比較不同的假設。他們分別從動物、植物、菌類植物和單細胞生物(如阿米巴變形蟲)之中分析超過2000個不同的粒線體基因組,追蹤它們的進化途徑,創造出演算法,計算不同基因和基因的組合在特別的時間點之中消失的可能性。

加拿大溫哥華英屬哥倫比亞大學(University of British Columbia)的生物學家Keith Adams(未參與此研究調查)表示:「這項研究中的創新面就是使用模擬,而通常這並不會含括在這類型的研究調查當中。」

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粒線體透過一系列經由內膜傳送電子的化學反應產生能量。這個過程的主要部分是一連串的蛋白質複合體,它們是大的蛋白球崁在粒線體裡面的的膜上。某種程度來說,所有遺留在粒線體的基因協助產生能量。然而這個團隊發現,如果一個基因生成一個成為這些複合體中心的蛋白質,則它很有可能停在那附近,而不會走遠。此團隊向《Cell Systems》表示,同時基因負責較外圍能量生產的作用,很可能是外包到細胞核。

Johnston說:「在粒線體當中局部地保有那些基因,促使細胞能有方法個別控制粒線體。」因為重要的蛋白質是由粒線體自己產生。而這個局部的控制指的是,細胞可以在個別的粒線體當中更為快速和有效率地,並時時刻刻調節能量的生產,而不是將它所內含的數百個或上千個的粒線體加以清除改變。例如,不正常的粒線體可以個別作修護,而不是驚動整體,而細胞級的反應則可能將某些東西排除導致失衡。

倫敦大學學院(University College London )生物學家John Allen(未參與此研究)說道,這就像是對火災的反應一樣,如果一棟大樓中的一個房間冒煙了,你不會馬上打電話給大樓管理員,徵求滅火准許,反而是會拿起滅火器來對準目標。

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Allen表示:「我認為這是非常基本的回饋機制」,在他的研究之中,他已發現證據指出,在它們需要的部位產生某種粒線體蛋白,可以協助細胞更有效地調節能量的創造。而在我們細胞中的另一個架構中,也能獲得來得自這種區域控制的效益。不過,粒線體有著如細胞般可以獨立運作的經歷,是唯一擁有自己的指揮中心的結構。

Johnston和 Williams的模擬指出,其他可能也一樣是要的因素,例如,編碼在基因的粒線體蛋白是怕水的或者排斥水,很可能也是在粒線體中生成的。如果這些蛋白質是在細胞中的其他地方生成,它們在運輸過程中有時會卡住,因此在粒線體中製造蛋白質是較為有效益的。

基因本身的化合物也可以影響它們如何保留在那,而能以化學效應抵抗粒線體裡面苛刻的條件,而不是變成出了毛病的基因,則很有可能得以存留。

Johnston認為他和Williams所研發出來的電腦程式好到不只是通過粒線體基因組的篩選而已,這個演算法可以分析任何因為隨著時間過去而失去或得到個別特徵的問題部分,不管那些特徵是基因或疾病的症狀。他希望這個模組在未來可以在這些研究的發展上有幫助,例如觀察研究疾病發展的歷程。

來源: Sciencemag