为什么我们还有线粒体DNA

20亿年前，线粒体不是它的鼎盛时期的细菌。自从被我们常见的单细胞祖先消耗以来，“能源巨头”细胞器已经失去了2000多个基因中的大多数，可能是细胞核。仍然有一小部分 - 取决于有机体 - 但问题是为什么。一位解释说，一位数学家和生物学家分析了线粒体在进化时间内的基因损失，他认为线粒体DNA过于重要，无法在细胞核内编码，因此进化到能够抵抗线粒体内部的破坏性环境。他们的研究发表于2月18日的Cell Systems。

“并不是说'丢失的'基因在许多情况下不再存在，而是细胞核产生蛋白质，蛋白质进入线粒体，但为什么在线粒体中有任何东西可以在细胞核内完全消失?” 共同作者本·威廉姆斯说，他是怀特黑德生物医学研究所的博士后研究员。“这就像是说你有一个中央图书馆里有你所有的书，但是我们要把它们中的10个放在一个漏水的棚子里。”

尽管我们与线粒体有长期关系，但我们的细胞和这些共生细胞器如何协同工作仍然是神秘和有争议的。我们知道，通过赋予真核生物的共同祖先(我们的生命王国)多细胞的能量，获得线粒体可能已经引发了历史上最重要的进化事件之一。而且我们知道我们的每个细胞都可以拥有数十或数百个线粒体，这些线粒体对于从肌肉到大脑的一切动力都是必不可少的。但奇怪的是，在几乎所有的多细胞生物体中，线粒体通过保留一些重要的基因而保持独立 - 尽管事实上细胞将这些基因储存在细胞核中可能更安全。

为了弄清楚线粒体中少数几个基因是如此重要的原因，威廉姆斯和伯明翰大学的研究员Iain Johnston将所有关于线粒体基因的数据记录到计算机中。几周后，随着Johnston开发的算法，计算机回退了线粒体基因在进化史上的丢失时间表。

“线粒体保留自身基因的潜在原因的假设已经争论了数十年，这是第一个解决这个问题的数据驱动方法，”约翰斯顿说。“这是因为有数千种线粒体基因组来自各种各样的分类群，因此现在我们可以利用这些数据让它自己说话。”

分析显示，保留在线粒体中的基因与构建细胞器的内部结构有关，否则就有被细胞错位的风险，这些基因中的DNA 使用一种非常古老的模式，使线粒体DNA强烈粘合在一起，抵制分裂。威廉姆斯和约翰斯顿认为，这种设计，通常不在我们自己的DNA中，可能是线粒体基因在线粒体能量产生过程中分裂的原因。

由于能量在线粒体内以ATP的形式产生，自由基被释放出来 - 相同的自由基是辐射的常见副产物。从本质上讲，线粒体产生的能量会带来一定程度的破坏，并且可能是线粒体能够承受这种损害。威廉姆斯说：“你需要能够在这种荒谬的极端环境中工作的专家，因为核心并不是最合适的。”

研究人员还观察到，在真核生物王国中发生的线粒体基因丢失遵循相同的模式。这是一个经验教训，演化可能会多次遵循相同的路径，并不总是这个完全随机的过程。在细胞环境中，线粒体基因丢失的演变在不同生物之间几乎可以预测。约翰斯顿说：“如果我们能够利用过去的进化数据并对下一步的发展做出预测性陈述，那么探索合成生物学和疾病的可能性就会很大。”

根据他们的算法，该二人组计划探索叶绿体的原因，以及线粒体疾病(通常是非常具有破坏性的)适合这一更大的图景。虽然这项研究并没有关闭为什么我们仍然有线粒体DNA的大门，但作者说它确实为辩论中的许多不同论点找到了中间立场。