《自然》：教科書又要改寫？數萬人基因分析，更新線粒體DNA遺傳的認知-今日必看

《自然》：教科書又要改寫？數萬人基因分析，更新線粒體DNA遺傳的認知

來源：電影胡侃釋出時間：2022-10-11 08:10

▎藥明康德內容團隊編纂

記載著遺傳資訊的DNA，分佈在細胞內的兩個位置：絕大部分位於細胞核，剩下的少部分位於線粒體——像“電池”一樣為細胞提供能量的一種細胞器。

先前，科學家普遍認為，只有來自母親的線粒體DNA才能透過卵子遺傳給後世。這一現象也被稱為是“母系遺傳”。

圖片來源：123RF

然而2018年一篇發表在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上的論文有了驚人發現。美國辛辛那提兒童醫院、中國廣西婦幼保健院、美國妙佑醫療國際（Mayo Clinic）等多家機構聯合組合的一支團隊，在檢查一名疑似患有線粒體疾病的男孩時，透過高解析度DNA測序發現，男孩及其姐妹、母親的線粒體DNA有極大的異質性。

接著，研究團隊對三個獨立家庭的17人進行了DNA測序和比較後推斷，後世也能獲得一部分來自父親的線粒體DNA。這一發現無疑顛覆了普遍接受的線粒體遺傳法則，儘管背後的遺傳機制並不明瞭。

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此後，英國劍橋大學的一支研究團隊擴大了尋找範圍，對記實在冊的10000個家庭的全基因組測序資料進行了分析，檢視其中是否也有後世獲得了遺傳自雙親的線粒體DNA。然而透過分析核全基因組序列，他們在一些孩子的細胞核DNA中發現了“插入“的線粒體DNA片斷，即所謂的“核線粒體DNA片斷”（NUMT），而這些插入片斷並不存在於其父母的核DNA中。

這一發現對線粒體DNA的遺傳方式再次提出了質疑：或許那些看似來自雙親的線粒體DNA片斷，實在是一些移動了位置的插入片斷。

為了確認這些線粒體DNA片斷的來源，劍橋大學Patrick Chinnery教授帶領的這支研究團隊又進一步擴大了範圍，分析了66000多人的全基因組序列。這些參與者來自英格蘭罕見病專案，其中包括12000多名癌症患者。這一結果近期發表在了頂尖學術期刊《天然》上。

在新論文中，研究團隊指出，線粒體DNA實際上正在持續向細胞核轉移，均勻每4000個新生兒中就有一個將線粒體的DNA片斷插入自己的細胞核DNA中。而這些攜帶了插入片斷的個體，就有機會把他們的NUMT傳給自己的後世。

根據這項新研究的估計，人群中絕大部分個體——超過99%，具有至少一種NUMT；每8個人中有1人攜帶罕見的NUMT。

▲在近6萬人檢測了1637種NUMT，顯示了不同NUMT在人群中的泛起頻率（圖片來源：參考資料[1]）

Chinnery教授解釋說：“數十億年前，原始動物細胞吸納了一種細菌，這種細菌變成了我們現在所說的線粒體。它們為細胞提供能量，使其能夠正常運作，同時去除氧，由於高濃度的氧是有毒的。跟著時間的推移，這些原始線粒體的片斷進入了細胞核，使它們的基因組能夠相互交流。”

“這一切都被以為發生在很久很久以前，在人類作為一個物種形成之前。然而我們發現並非如此。”Chinnery教授增補說，“我們現在就可以看到這種情況正在進行：線粒體的遺傳密碼以可丈量的方式轉移到核基因組中。”

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研究職員還留意到，插入核DNA的線粒體DNA片斷，有時會導致罕見的疾病，包括一些罕見的遺傳性癌症。研究小組觀察了從12500個腫瘤樣本中提取的序列，發現來自線粒體的DNA在癌細胞的DNA中更為常見。

鑑於核基因組始終處於不斷損傷和修補的過程，研究職員預測，這些來自線粒體的插入片斷或許就像創可貼一樣，試圖修補細胞核DNA泛起的損傷。“有時它起了作用，但偶然它幫了倒忙，反而觸發了癌症。”Chinnery教授推測說。

目前，研究職員還無法解釋線粒體DNA畢竟是如何把自己插入核DNA的，好比是直接插入仍是透過RNA之類的間接插入的。這些分子機制還有待後續研究揭秘。此外，如果說線粒體DNA會進入細胞核插入核DNA，那麼反過來，細胞核DNA是不是也有可能進入線粒體呢？研究小組表示他們目前還沒有找到相關證據。但總而言之，這些發現再次重新整理了我們關於線粒體DNA遺傳的認知。

參考資料：

[2] A new route to evolution: how DNA from our mitochondria works its way into our genomes. Retrieved Oct. 9, 2022 from https://www.eurekalert.org/news-releases/966567

[3] Shiyu Luo et al., (2018), Biparental Inheritance of Mitochondrial DNA in Humans, PNAS, DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.1810946115