粒線體的母系遺傳:父源粒線體去哪了?

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粒線體(感謝Keith Porter/SPL提供)

粒線體(感謝Keith Porter/SPL提供)


真核細胞的粒線體能提供能量讓細胞進行代謝。這種特殊胞器能在特定階段複製,而隨著細胞分裂,粒線體也能分配至分裂後各個細胞內。粒線體擁有自己的環狀DNA,人類的粒線體DNA長度約1萬6000個鹼基對,上面基因大部分與生產能量的氧化磷酸化反應有關。也因存在著DNA,更加證實了1905年康斯坦丁.梅列施柯夫斯基(Konstantin Mereschkowski)所提出的內共生學說。有趣的是,在有性生殖上,我們對粒線體屬於母系遺傳較有認知,然而生產下一代的過程中,父源的粒線體到底走向了甚麼命運,直到近年的研究才逐漸得到答案。

並非所有有性生殖物種的粒線體皆為母系遺傳,例如地中海貽貝(Mytilus galloprovincialis)、菲律賓蛤仔(Ruditapes philippinarum)、周期蟬屬(Magicicada)等物種的粒線體都來自雙親。此外擬黃果蠅(Drosophila simulans)有約6-15%的個體之粒線體也來自雙親。雙親粒線體遺傳在哺乳類十分罕見,人類偶爾也會出現少數這類的案例,第一次被報導的案例來自一位患有粒線體異常引發之肌肉病變的患者,其原因在他的粒線體DNA中稱作ND2的基因有兩個鹼基對缺失,導致呼吸作用電子傳遞鏈運作不佳,而此基因的缺失源自父親的粒線體DNA,才了解該患者體內存在來自雙親之粒線體。另一特別的現象也能導致父源粒線體DNA的遺傳,稱作核內線粒體片段(NUMT),粒線體DNA在不明原因之下因DNA重組而跑到細胞核內並插入細胞的基因組,藉此遺傳至下一代,隨後該粒線體DNA片段又跑回粒線體中,造成雙親粒線體遺傳。近年研究發現父源粒線體與其粒線體DNA可在受精前與受精後藉由某些機制剔除,且不同物種所利用的機制不大相同。精子的粒線體多位於精子的尾部,以供給精子移動的能量,中國倉鼠(Cricetulus griseus)受精的過程中精子只有頭部能進入卵子內,其帶有粒線體的尾部則留在外面。然而上述剔除父源粒線體的方式並不常見,普遍物種受精過程精子的尾部能夠進入卵細胞,代表有一段時間父源粒線體確實存在於受精卵內,這現象能在秀麗隱桿線蟲 (Caenorhabditis elegans)、黑腹果蠅(Drosophila melanogaster)、小家鼠等物種看見,人類也不例外,且在此提到的四個物種也是時常拿來了解粒線體母系遺傳機制的研究對象。

秀麗隱桿線蟲具有兩種性別個體,其一是雌雄同體、其二是雄性個體。雌雄同體能自我受精來生產下一代,而雄性個體則可與雌雄同體交配進行繁殖,增加遺傳多樣性。當線蟲的精子進入卵子約三十分鐘之後,受精卵內能觀察到自噬體(autophagosome)開始在父源粒線體與膜狀胞器周圍形成,並將它們包裹在內。在父源粒線體與膜狀胞器被包裹在自噬體內後,就會與細胞內常用來分解物質的溶小體融合,使溶小體中的分解酵素將父源胞器完全分解。時間大約從受精卵分裂成8個至64個細胞時,父源粒線體便在此階段慢慢消失。如果參與自噬相關的蛋白質出現突變,父源粒線體可存在到幼蟲時期,表明自噬作用對於清除父源粒線體的重要性。然而受精卵是如何辨認誰是父源粒線體予以清除呢?原因是線蟲的父源粒線體內含有一種蛋白質CPS-6,平時位於粒線體外膜,在受精後CPS-6會進入到粒線體基質使粒線體內膜分解並破壞膜電位,而成為損壞的胞器,這也是造成線蟲受精卵清除父源粒線體的主要原因之一。

黑腹果蠅在精子生成過程中精子尾部的粒線體會彼此融合,形成兩條與尾部平行且非常長的粒線體。該兩條粒線體內存在一種酵素EndoG,會將粒線體內的DNA切割分解,使成熟的精子攜帶的粒線體成為沒有DNA的胞器,代表父源粒線體DNA不會有機會進入受精卵。當受精之後,受精卵會將精子長條的粒線體分割成小片段,最後由自噬體與胞內體(endosome)清除完畢。

研究發現哺乳類如小家鼠與人類的精子成熟之後粒線體內膜中存在一種蛋白質,抑制素(prohibitin),有被標上泛素連結,顯示尚未受精之前精子粒線體就已被標上清除的標籤。在精子存在至受精卵內時,父源粒線體受到標定,相繼遭受自噬作用與泛素-蛋白酶體(ubiquitin-proteasome)系統的協同清除,大約至桑椹胚時期(受精卵分裂到32個細胞)之後便逐步觀察不到父源粒線體的存在。

另外一種父源粒線體消失理論則主張父源粒線體的消失始於被動稀釋(passive dilution),意思是粒線體進入受精卵之後很可能沒有發生清除的現象,而在父源粒線體不再複製的情況下,隨著細胞的不斷分裂而自然而然地被母源粒線體稀釋成極少數。確實有研究發現不同種類的小鼠中長時間存在比例非常稀少的父源粒線體。即便如此,父源粒線體受到自噬作用與泛素-蛋白酶體的清除已是有憑有據,故然現在普遍學者皆認同這些清除的機制才是讓父源粒線體消失的主因。

生物演化過程中粒線體選擇了母系遺傳,這說明母源粒線體對後代可能有某些好處,但詳細的原因目前並不清楚。粒線體時常在代謝中會產生活性氧類,容易傷害粒線體DNA,所以相較於細胞的DNA,粒線體DNA累積突變機會較高,且有研究宣稱儲存精子的環境中粒線體DNA受損的風險比較高。為了避免這些風險所引起的病變,母系單一來源的粒線體是較好的方式。小鼠中發現,粒線體異質性(heteroplasmy)(粒線體非單一來源)會造成個體出現行為與代謝異常、活動率與認知能力降低等問題。因此移除父源粒線體除了確保胚胎的品質,也杜絕後代得到粒線體相關的疾病。

作者:水也佑 

參考資料:

1. Ken Sato, Miyuki Sato. Multiple ways to prevent transmission of paternal mitochondrial DNA for maternal inheritance in animals. J Biochem. 2017 Oct 1;162(4):247-253.

2. Karla Pacheco de Melo, Mariana Camargo. Mechanisms for sperm mitochondrial removal in embryos. Biochim Biophys Acta Mol Cell Res . 2021 Feb;1868(2):118916.

3. Taeko Sasaki, Miyuki Sato. Degradation of paternal mitochondria via mitophagy. Biochim Biophys Acta Gen Subj. 2021 Jun;1865(6):129886.

聲明:

本篇文章曾刊登於科普寫作網路平台,作者就是水也佑我本人,將文章轉載於此。

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