Sci Adv | 关注进化中的谜团：为什么父亲的线粒体不能遗传给后代

引言

线粒体是细胞的“能量工厂”，它们源源不断地产生能量物质ATP以驱动生物体的各种生命活动。同时线粒体拥有自己的遗传物质DNA，被称为线粒体DNA或mtDNA，它们编码合成ATP所必需的蛋白或RNA。有趣的是，尽管雄性和雌性个体的生殖细胞都含有线粒体，在绝大部分动物种类包括人类中，线粒体却全部遗传自母亲（即“母系线粒体”），而来自父亲的“父系线粒体”则在胚胎发育早期被全部清除掉，这一独特的遗传学现象被称为“母系线粒体遗传”或“父系线粒体清除”。虽然人们很早就注意到了线粒体在遗传中的这种特殊现象，却一直无法给出令人信服的解释，于是该现象便成为了生物学中一个长期令人困惑的“谜团”。

近日，美国科罗拉多大学博尔德分校（University of Colorado at Boulder）薛定教授团队在这一重要的线粒体遗传学问题上取得了突破，相关研究成果以Moderate embryonic delay of paternal mitochondrial elimination impairs mating and cognition and alters behaviors of adult animals为题发表在10月4日的Science Advances杂志上。该文章以充分详实的证据表明：如果不及时清除胚胎中的父系线粒体，成年后的动物会表现出多种功能缺陷和行为异常，不利于动物个体的生存和种群的繁衍，从而论证了父系线粒体在胚胎发育早期被完全清除掉的必要性。

研究者以一种结构简单、繁殖迅速的微小动物“秀丽隐杆线虫”为模型，在雄性动物中引入有缺陷的线粒体核酸内切酶编码基因cps-6，该基因缺陷本身不会影响动物的正常生理功能，但能使父系线粒体在杂交后代的胚胎早期暂时不被完全清除，从而产生了特殊的父系线粒体延迟清除的杂交动物。通过一系列的行为学测试，研究者发现：在父系线粒体DNA和母系线粒体DNA存在差异的情况下，如果父系线粒体没有在杂交动物胚胎发育的早期被及时清除，那么在动物成年以后，其学习记忆能力将会显著降低、交配繁殖能力也明显下降，同时伴随着固有活动习性的显著改变。这些功能和行为的异常，显然不利于动物个体的生存和种群的繁衍。

那么，在胚胎时期未被及时清除的父系线粒体，为什么会造成成年动物出现一系列功能缺陷呢？对此，文章作者发现：DNA不一致的父系和母系线粒体的共存，显著降低了杂交胚胎的ATP水平，从而部分激活了对ATP水平敏感的AMPK/AAK-2和FOXO/DAF-16信号通路，造成动物出现功能和行为缺陷。如果给亲本动物喂食维生素MK-4，一种能提高ATP水平的小分子化合物，那么即使出现了父系线粒体延迟清除的情况，子代动物的学习记忆、交配繁殖、活动习性等生理功能也能得到明显改善。此外，作者还利用RNA干扰（RNAi）等方法精确控制AAK-2和DAF-16的表达水平，同样在父系线粒体延迟清除的动物中达到了改善功能缺陷、抑制行为异常的目的。这些证据显示：在父系线粒体延迟清除的动物胚胎中， ATP水平降低并激活AAK-2和DAF-16信号通路，是造成此类动物功能缺陷和行为异常的重要原因。

值得注意的是，父系线粒体清除的异常同样可能出现在人类中，成为导致多种生理缺陷或疾病的重要因素，此类问题应当引起相关领域研究者和医护人员的重视。

参考文献

责编|探索君

排版|探索君