線粒體看上去像細(xì)菌，這外觀并非偽裝：它們從前是自由生活的細(xì)菌，后來大約在20億年前適應(yīng)了寄生在大細(xì)胞里的生活。它們還保留了基因組的一個(gè)碎片，作為曾經(jīng)獨(dú)立存在的印記。由于被我們常見的單細(xì)胞祖先消耗，這個(gè)“能源動(dòng)力室”細(xì)胞器已經(jīng)失去了其2000個(gè)以上的基因。仍然有少數(shù)基因留了下來，這取決于有機(jī)體，但問題是：為什么。最近，分析進(jìn)化過程中線粒體基因缺失的數(shù)學(xué)家和生物學(xué)家稱，一種解釋是，線粒體DNA對(duì)于細(xì)胞核內(nèi)的編碼太重要了，因此逐漸進(jìn)化為可抵御線粒體內(nèi)的有害環(huán)境。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2月18日的《Cell Systems》。

本文共同作者、美國(guó)Whitehead生物醫(yī)學(xué)研究所博士后Ben Williams指出：“這并不是說，‘缺失’的基因不再存在于許多情況中，而是說，細(xì)胞核產(chǎn)生了蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)進(jìn)入線粒體，但是當(dāng)你在細(xì)胞核中擁有這一切時(shí)，為何還要在線粒體中存在呢？這就像是說，你有一所中心圖書館，所有的書都在里面，但我們卻打算將一部分書保存在一個(gè)漏水的小屋中。”

盡管我們與線粒體有著長(zhǎng)期的關(guān)系，但是，我們的細(xì)胞和很多這些共生細(xì)胞器是如何共同工作的？仍然是神秘的和有爭(zhēng)議的。我們知道，線粒體的獲得，通過給真核細(xì)胞（我們的生命界）的共同祖先供以能量以讓它們多細(xì)胞化，可能引發(fā)了歷史上一個(gè)最重要的進(jìn)化事件。我們知道，我們每個(gè)細(xì)胞都可能擁有幾十個(gè)或數(shù)百個(gè)線粒體，這對(duì)于“為一切事物（從肌肉到大腦）提供能量”是必不可少的。但奇怪的是，在幾乎所有的多細(xì)胞生物體中，線粒體通過控制一些重要基因而保持獨(dú)立——盡管對(duì)于細(xì)胞來說，這比把這些基因儲(chǔ)存在細(xì)胞核中更為安全。

為了弄清“是什么使得線粒體中的一些基因如此重要？”，Williams和通訊作者、伯明翰大學(xué)的研究員Iain Johnston，把產(chǎn)生的關(guān)于線粒體基因的所有數(shù)據(jù)丟進(jìn)電腦。幾個(gè)星期后，采用Johnston開發(fā)的算法，計(jì)算機(jī)得出了進(jìn)化史上線粒體基因缺失的時(shí)間線。

Johnston說：“線粒體保存它們自己的基因，對(duì)其潛在的原因，已經(jīng)討論了幾十年，這是第一次用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法來解決這個(gè)問題。一個(gè)事實(shí)發(fā)揮了促進(jìn)作用，即，有成千上萬的線粒體基因組來自于一組非常廣泛的可用類群，現(xiàn)在我們可以利用這些數(shù)據(jù)，讓它為自己說話。”

分析顯示，在線粒體中保留的基因，與構(gòu)建細(xì)胞器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，否則，就處于被細(xì)胞錯(cuò)放的危險(xiǎn)當(dāng)中，這些基因中的DNA利用了一種非常古老的模式，可讓線粒體DNA緊密結(jié)合在一起，并不易于分開。Williams和Johnston認(rèn)為，這種設(shè)計(jì)通常存在于我們自己的DNA中，很可能在線粒體能量生產(chǎn)過程中阻止線粒體基因的分離。

隨著能量以ATP的形式在線粒體內(nèi)產(chǎn)生，自由基被釋放出來——相同的自由基，是輻射的一種常見副產(chǎn)物。在本質(zhì)上，由線粒體產(chǎn)生的動(dòng)力伴隨著一定的破壞，有可能是，線粒體能夠抵擋這樣的損傷。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，發(fā)生在真核生物界的線粒體基因缺失，是遵循著相同的模式。這是一個(gè)教訓(xùn)：進(jìn)化可能多次遵循相同的路徑，并不是總是這樣完全隨機(jī)的過程。在細(xì)胞環(huán)境中，線粒體基因演變的損失，在不同的生物體之間是幾乎可以預(yù)見的。Johnston說：“如果我們能夠利用進(jìn)化在過去已經(jīng)完成的數(shù)據(jù)，并對(duì)它會(huì)去哪里作出預(yù)測(cè)陳述，那么，探索合成生物學(xué)和疾病的可能性將是巨大的。”

利用他們的算法，兩人計(jì)劃更進(jìn)一步地探索葉綠體，以及線粒體疾?。ㄟ@往往是非常毀滅性的）。雖然這項(xiàng)研究并沒有解決為什么我們?nèi)匀挥芯€粒體DNA，但是作者說，它確實(shí)為許多有爭(zhēng)議的論點(diǎn)，找到了一個(gè)折衷點(diǎn)。

在去年7月份，《PNAS》發(fā)表的一項(xiàng)論文，也就“線粒體為什么保留自身基因組”這個(gè)問題進(jìn)行了探討。一項(xiàng)國(guó)際合作研究產(chǎn)生了一個(gè)有趣的假說：線粒體基因組編碼疏水膜蛋白，如果它是在細(xì)胞核中編碼，就會(huì)被信號(hào)識(shí)別顆粒（SRP）過濾，并被錯(cuò)誤地引入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中。而在更早些時(shí)候，更是有學(xué)者顛覆了當(dāng)前的線粒體起源理論，弗吉尼亞大學(xué)研究人員開展的一項(xiàng)研究，使用新一代DNA測(cè)序技術(shù)，解碼了18種線粒體近緣細(xì)菌的基因組，表明寄生菌是給細(xì)胞供給能量的線粒體的第一代表親，在它們變成有益之前，首先充當(dāng)這些細(xì)胞中的能量寄生蟲，相關(guān)研究發(fā)表在2014年10月份的《PLOS One》雜志。而在今年伊始，一個(gè)國(guó)際科學(xué)家小組在《EMBO Journal》發(fā)表的一項(xiàng)研究首次發(fā)現(xiàn)，線粒體——細(xì)胞的發(fā)電廠，對(duì)于衰老來說是必不可少的，從而引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。