“细胞层面的母爱”Nature子刊解释：为什么线粒体只来自母亲，而父亲的却被淘汰？

生命科学前沿 2024-05-12 07:32 北京

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线粒体存在于真核细胞中，它是细胞的能量工厂，也是目前人体细胞中除细胞核以外唯一含有自身遗传物质的细胞器。线粒体DNA（mtDNA）编码了13个与氧化磷酸化紧密相关的多肽，并且参与构成呼吸链的13种结构蛋白完全由mtDNA编码。

人的线粒体DNA只来自于母亲

与核基因组遵循孟德尔遗传规律不同，mtDNA的突变只能由母亲遗传给子代，若父亲携带突变则不会向后代遗传，这种规律被称为“母系遗传”，这是由于受精卵中的mtDNA全部来自于母亲的卵子，而来自父亲的精子mtDNA在受精前/后被清除。

线粒体简易图

精子mtDNA的消失之谜

先前的研究认为，父系的线粒体DNA从受精卵的细胞质中消除有多种机制，如特定的核酸酶依赖系统(nuclease-dependentsystems)、泛素-蛋白酶体系统(ubiquitin-proteasome system)和自噬(autophagy)等机制，可以降解父系mtDNA或父系线粒体本身，以防止父系mtDNA的传递。

俄勒冈健康与科学大学的研究团队发现精子细胞不仅缺乏完整的mtDNA，而且还缺乏维持mtDNA所必需的一种蛋白质，即线粒体转录因子a (TFAM)。TFAM对于mtDNA的维持、复制和转录是绝对必需的，而在精子细胞发育过程中，TFAM从精子的线粒体转移到了细胞核，这与mtDNA的消失相吻合。该成果于近期发表在《自然遗传学》杂志上。

https://www.nature.com/articles/s41588-023-01505-9

精子mtDNA为何在进化中被淘汰？

在漫长的生物演化过程中，几乎所有生物都选择抛弃父系mtDNA，子代的mtDNA完全来自于母系，这说明某种进化压力的存在，目前，科学家们还不能确定为什么精子不被允许提供线粒体DNA，但Mitalipov认为，这可能与精子在受精过程中使用大量线粒体能量有关，在这个过程中，mtDNA中积累了过多基因突变，这对后代无疑是一种威胁。

相比之下，发育中的卵母细胞主要从周围细胞获取能量，而不是从自身的线粒体中获取能量，因此保持相对原始的mtDNA。

线粒体遗传病的母系遗传

广义的线粒体遗传病是指由线粒体DNA（mtDNA）、核DNA(nDNA)突变等遗传缺陷导致细胞线粒体内的生物酶或者蛋白质缺陷，导致细胞功能损伤和临床症状甚至综合征；狭义的线粒体遗传病是指mtDNA突变导致的母源性遗传病，已经发现100多种与mtDNA突变有关的人类线粒体遗传病。

到目前为止，线粒体遗传病无法治愈，只能依赖于缓解症状以及延缓病情进展的辅助治疗，因此预防显得更为重要。然而由于mtDNA的“阈值效应”和“随机分离”等特征，即使携带低水平突变mtDNA的无症状携带者仍可能产生具有高突变负荷的卵子从而使子代患病。

线粒体遗传病治疗：线粒体置换技术

线粒体置换技术是将突变携带妈妈卵子的细胞核移植到去核的健康线粒体捐赠者卵胞浆中获得的重构卵母细胞，与携带者丈夫精子进行受精，从而获得重构胚胎也就是通常说的“三亲胚胎”（含有父母的细胞核DNA+捐赠的线粒体DNA），可防止突变线粒体DNA向下一代传递，也被称为“第四代试管婴儿”。

2015年英国立法批准线粒体置换技术临床用于预防严重的线粒体遗传病，目前我国尚未批准线粒体置换的临床应用，需要更多的研究数据证实其安全性和有效性。该技术未来有可能成为致病性线粒体DNA突变携带女性生育健康孩子的最佳选择。

线粒体置换技术的常见方式

参考文献：Molecular basis for maternal inheritance of human mitochondrial DNA