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《自然》杂志:揭示卵细胞选择最健康的线粒体传递给后代的机制
2019-12-12 16:57

妈妈总是把最好的留给子女,但你绝对想不到妈妈准备得有多早。

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撰文 | 学术经纬

发育中的卵细胞会进行测试,选出最健康的线粒体(细胞中的能量制造工厂),然后传递给下一代。一项针对果蝇的新研究显示了这种测试是如何进行的。相关研究结果于2019年5月15日在线发表在Nature期刊上,论文标题为“Mitochondrial fragmentation drives selective removal of deleterious mtDNA in the germline”。

都说母亲总会选择最好的给孩子。顶尖学术期刊《自然》最近上线的一篇论文显示,母亲从卵细胞起就在为将来的孩子这么做了!美国纽约大学医学院和加拿大多伦多大学的科学家们合作,首次通过直接成像技术观察到,母体的生殖细胞会选择那些更好的线粒体传给下一代。

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图片来自CC0 Public Domain。

线粒体位于细胞内部,是一种重要的细胞器,因为它们承担着为细胞产生能量的重任。

这项研究关注于线粒体,即将我们吃的糖、脂肪和蛋白转化为人体中数百万个细胞所使用的能量的细胞器。加拿大多伦多大学和美国纽约大学医学院的研究人员通过使用一种直接成像技术首次观察到母体生殖细胞仔细地选择哪些线粒体传递给它们的后代。

线粒体也是一种特别的细胞器,因为它们拥有自己的遗传物质。比起细胞核内的基因组DNA,线粒体基因的变异速度要快得多,原因之一在于线粒体生产能量时产生了自由基。随着年龄的增长,线粒体会累积突变。

论文共同通讯作者、纽约大学医学院细胞生物学系主任Ruth Lehmann博士说道,“我们的研究结果证实了卵细胞执行线粒体选择的理论。这些研究结果为开发治疗线粒体疾病---包括导致肌肉无力、神经系统疾病和糖尿病形式的肌肉疾病---的新方法奠定了基础。”

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线粒体是一种特殊的细胞器,这是因为它们具有自己的DNA,称为线粒体DNA。与存在于细胞核中的更大的DNA集合不同的是,mtDNA仅通过母体的卵细胞进行传递。

线粒体拥有自己的遗传物质(图片来源:

mtDNA也比细胞核DNA更容易在它的DNA代码中产生随机变化或突变,这些变化或变异随着人的年龄增长而增加,不过,这种情形也会在生殖细胞的发育过程中发生,从而导致遗传性疾病。在美国儿童中,这些遗传性疾病的发病率大约为1/4300。

观察选择

与细胞核DNA不同,mtDNA完全由母亲的生殖细胞传给下一代。一些有害的mtDNA突变会导致某些先天性疾病。卵细胞是否会选择更好的线粒体传下去,是科学家们长久以来的一个疑问。

Lehmann说,这个领域长期存在的一个问题是它无法区分“好”的线粒体和坏的线粒体,这就阻碍了旨在理解线粒体如何被分选和遗传的努力。

不过,要回答这个问题,遇到的一大挑战是怎么看清线粒体的“好坏”。为此,科学家们首先借助了模式生物果蝇的遗传多样性,得到一种既带有正常“好”mtDNA、又带有突变“坏”mtDNA的杂交果蝇。通过温度的控制,其中的突变mtDNA会降低线粒体的能量代谢水平。

出于这个原因,这项新的研究是在经设计携带着荧光探针标记的好线粒体和坏线粒体的黑腹果蝇中开展的,这样就可便于区分它们。这种果蝇具有很多与人类相同的细胞特征,包括线粒体选择,而且随着时间的推移,它们成为生物学原理研究中的一种关键的模式生物。

与此同时,研究人员采用了等位基因特异性的荧光原位杂交,在细胞中将正常和突变的mtDNA分别用不同颜色标记出来。

这些研究人员说,为了保护线粒体的功能,它们彼此连接在一起形成较长的相互连接的管子,每个管子含有很多mtDNA分子。在这些线粒体管子中,因遗传缺陷不能产生在能量产生中起重要作用的13种蛋白中的任何一种的线粒体仍然能够通过“借用”在相同管子中的其他健康DNA拷贝产生的功能性蛋白而存活下来。

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通过可视化观察果蝇卵细胞选择线粒体的过程,这些研究人员发现这一过程是由蛋白Mitofusin---一种让线粒体融合的蛋白---水平的精确定时下降引起的。当Mitofusin水平下降时,可观察到线粒体分离成片段,从而使得每个片段平均含有更少的完整线粒体DNA。这迫使每个线粒体在能量产生方面保持独立,而且含有突变型mtDNA的线粒体片段不会产生ATP。