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线粒体结构。图片来源:zmescience
摘要:最近,父亲可以将线粒体基因遗传给后代的研究成果发表在著名的《国家科学院院刊》上。至此,人们对精子染色体DNA命运的认识经历了三次革命,从一开始说精子线粒体没有进入卵子,到进入后精子线粒体被破坏,再到父亲线粒体DNA也可以遗传给后代的理论。人类对自身的认知一次次刷新,同时对线粒体遗传的理解也越来越清晰。让我们回顾一下线粒体在这三种精子中的命运:
第一,第一阶段:精子头部进入卵细胞,尾部留在外面
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时至今日,我们的中学课本仍是这样描述的:“受精时,通常是精子的头部进入卵细胞,而精子的尾部留在外面”。线粒体鞘作为尾巴的基部,只能留待观望,不能传给后代。这是目前大多数人对线粒体遗传的认识,即人类线粒体DNA是通过母体系统遗传的。
这个理论主要是斯坦福大学医学院的研究团队于1980年在PNAS发表的研究成果是这个研究的负责人):“母系遗传理论”。
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上图来自人教版选修3。从内容上看,尾巴进入卵细胞,可能是从第一阶段过渡到第二阶段的一个例子。毕竟选修课的相关内容写的更专业、更深入、更前沿。
二、第二阶段:受精过程中,精子的线粒体鞘也进入卵子,但被破坏
第二阶段,观点是线粒体遗传是母系遗传。只是精子的尾部进入卵细胞。以前一般认为精子中的线粒体DNA是不能遗传的,因为受精时只有精子头部进入卵子,而含有线粒体的中间部分被排除在外。1996年,两项研究发现,这种曾经被接受的观点是不准确的。受精过程中,精子线粒体鞘也进入卵子,但精子线粒体在接下来的两次细胞分裂中消失。因此,受精卵中的线粒体完全来源于卵子。至于为什么线粒体是通过母体遗传传递的,目前的主流观点是精子中的线粒体携带了更多的变异,不利于后代的发育,所以受精后被破坏、失活或稀释的无影无踪。然而,精子线粒体是如何被破坏的尚不清楚。总之,大家都认为人类线粒体是从母亲身上获得的。
受精后,精子中的线粒体被破坏
第三,第三阶段:父亲也可以将线粒体DNA传给后代
从1980年起,道格拉斯·c·华莱士等人发表了一份关于PNAS的文件,证明人类线粒体DNA是通过母亲严格传递给后代的,这已经成为大家的共识;直到38年后的今天,中国科学家黄教授的团队在发布了一份文件,确认父亲也可以将线粒体DNA传给后代,随后人类线粒体遗传正式进入第三阶段:人类线粒体DNA由父母遗传。
线粒体是为细胞提供能量的细胞器。线粒体DNA是环状的,与染色体DNA不同。|图片来源:国家人类基因组研究所
事实上,1983年,约瑟夫·艾格和约翰·威尔逊在《新英格兰医学杂志》上报道说线粒体是由父亲传给后代的。但当时华莱士的“母系遗传理论”得到了广泛认可,以至于埃格和威尔逊都不敢相信自己的结论,也缺乏有效的手段来证明自己的发现,于是他们找到了一些理由并加以解释。这不禁让我们想起了沃泰莫,他局限于结论。
线粒体DNA可以被父亲遗传是在2002年。当玛丽安·施瓦茨和约翰·维辛研究一名28岁男性患者的线粒体疾病时,他们发现导致肌肉疾病的异常线粒体DNA实际上是从他父亲那里获得的。
这是科学家第一次发现线粒体DNA可以从父亲传给后代。不幸的是,在接下来的16年里,没有这样确切的报道。所以很多遗传学家认为2002年的发现完全是意外。直到2018年。
如果不是测序技术的进步和黄教授团队的大胆,我们可能还会认为人类社会的线粒体中没有父系遗传。长话短说,2018年,黄教授的团队在三个独立的家庭中证实了线粒体DNA也可以通过父亲传给后代。以前人们认为线粒体DNA只能通过母亲传给后代。
而且根据他们的数据,父亲传给后代的线粒体DNA的发生率约为0.02%。可以说是相当普遍。
四.意义
这一发现不仅改写了我们对人类遗传学的认识,也改写了目前线粒体的遗传规律,改变了我们对自己的认识。更重要的是,如果我们对线粒体是如何传播的有了更好的了解,我们就有更好的机会开发治疗线粒体疾病的方法,甚至可能促进受精卵中正常线粒体的繁殖,以取代那些受损的线粒体。它为更好地治疗线粒体疾病开辟了新的可能性,并给许多遭受毁灭性酷刑的家庭带来了希望。
例如,MELAS综合征始于儿童早期,可导致癫痫发作和痴呆症。鸡眼塞勒综合征会导致视力和听力问题,甚至可能导致失明和耳聋。
线粒体DNA突变与某些疾病密切相关。|图片来源:维基百科
然而,这一现象背后的机制尚不清楚。黄教授的团队认为,这可能与核内父系线粒体清除相关的基因突变有关。如果揭示线粒体DNA父系遗传背后的机制,线粒体遗传病的诊断和治疗将是另一番景象。
同样值得一提的是,如果这种现象在人类社会普遍存在,我们对人类进化和迁徙的认知可能会被改写。基于线粒体母系遗传理论,通过研究不同种群的线粒体DNA,科学家还可以追踪这些种群在世界范围内的迁徙,甚至可以识别出所有人类可能的共同母系祖先,即“线粒体夏娃”。但是,如果进一步研究表明父亲的线粒体DNA遗传更为普遍,那么我们对人类迁徙的整体认识可能需要调整或者提供新的思路。
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