人类对父亲线粒体DNA认识的三次飞跃

更新:管理员  更新日期:2019-01-02  点击次数:127

摘要:近日,父亲也可以将线粒体DNA遗传给后代的研究成果发表在著名期刊《美国国家科学院院刊》(PNAS)。至此,人们对精子染色体DNA命运的认识已经经历了三次革命,从最开始说精子线粒体没进入卵子,到进入后被破坏理论,再到父亲线粒体DNA也能遗传给后代人类对自身的认知一次次被刷新的同时,也越来越清楚地认识线粒体遗传了。下面就来回顾一下这三次精子中线粒体的命运:

一、第一阶段:精子的头部进入卵细胞,尾部留在外面 

到目前为止,咱们的中学课本还是这样描述的:“受精时,通常是精子的头部进入卵细胞,而尾部留在外面”。作为尾的基部的线粒体鞘,自然也只有留在外面观望的份了,不能遗传给后代。这也是目前大多数人对线粒体遗传的认知,即人类线粒体DNA通过母系遗传。

这个理论主要是1980斯坦福大学医学院的研究团队(国际著名遗传学家、美国科学院院士Douglas C. Wallace是这个研究的负责人)在PNAS上发表的研究成果:“母系遗传论”。

 

上图来自人教版选修3,从内容来看,尾部是进入卵细胞的,这也许正是从第一阶段往第二阶段过渡的例子。毕竟选修的相关内容写的更专业、更深入、更前沿。

二、第二阶段:受精时,精子的线粒体鞘也进入了卵子,但又被破坏

第二阶段的观点依然是线粒体遗传为母系遗传。只不过是说精子的尾部是进入卵细胞的。以前普遍认为,精子中的线粒体DNA之所以没能遗传下来,是因为在受精时只有精子头部(不含线粒体)进入卵子,而含线粒体的中部(称为线粒体鞘)被排除在外。1996有两项研究发现这种曾被普遍接受的观点并不准确。在受精时,精子的线粒体鞘也进入了卵子,但是在随后的两次细胞分裂中,精子线粒体消失。所以受精卵中的线粒体完全来自卵子。至于线粒体为何以母系遗传的方式传递,目前比较主流的观点是,精子中的线粒体携带更多的变异,对后代发育不利,因此受精后便被破坏、失活,或被稀释得无影无踪了。不过,精子的线粒体究竟是如何被破坏掉的,目前还不清楚。总之,大家都认为人类的线粒体都是从妈妈那里获取的。

 

卵细胞受精后,破坏精子中的线粒体

 

三、第三阶段:父亲也可以把线粒体DNA遗传给后代

从1980年,Douglas C. Wallace等在PNAS上发文证明人类线粒体DNA是严格通过母亲传递给后代,成为大家的共识;直到38年后的今天,华人科学家黄涛生教授团队在PNAS发文,证实父亲也可以把线粒体DNA遗传给后代,人类线粒体遗传才正式进入第三阶段:人类线粒体DNA是双亲遗传。

线粒体是为细胞供应能量的细胞器,线粒体DNA是环形的,不同于染色体DNA图片来源:National Human Genome Research Institute

其实在1983,JosephEgger和John Wilson就在《新英格兰医学期刊》上报道过线粒体通过父亲传递给后代的案例。然而,当时Wallace团队的“母系遗传论”获得了广泛的认可,以至于Egger和Wilson不敢相信自己的结论,再加上他们也缺乏有效的手段证明他们的发现,于是他们找了些原因就解释过去了。这不由得让我们想起了囿于定论的沃太默。

线粒体DNA可以通过父亲遗传真正引起学界注意是在2002。MarianneSchwartz和John Vissing在研究一名28岁男性患者的线粒体疾病时,发现导致这名患肌肉疾病的异常线粒体DNA,居然是从他父亲那里获得的。

这是科学家首次发现线粒体DNA可以从父亲那里传递给后代。不过遗憾的是,在接下来的16年里,再也没有类似的确切报道。以至于很多遗传学家们都认为,2002年那个发现完全就是个偶然事件。直到2018年。

如果不是因为测序技术的进步,以及黄教授团队的胆大心细,我们可能还认为在人类社会线粒体不存在父系遗传。长话短说,2018年黄涛生教授团队在三个独立家庭中证实:之前认为只能通过母亲遗传给后代的线粒体DNA,也可以通过父亲传递给后代。

而且,从他们掌握的数据来看,线粒体DNA通过父亲传递给后代的现象在人群中的发生率约为0.02%。可以说也是比较常见了。

四、意义

这个发现不仅改写了我们对人类遗传学的认知,改写了当前的线粒体遗传法则,改变人类对自身的认识。更重要的是如果更好地了解线粒体是如何传递的,我们就有更好的机会来发展治疗线粒体疾病的方法,这甚至可能促进正常运转的线粒体在受精卵内的繁殖,以取代那些受损的线粒体。为更好地治疗线粒体疾病开辟了新的可能性,给许多正遭受毁灭性折磨的家庭带来希望。

例如,MELAS综合征开始于儿童早期,能导致癫痫发作和痴呆。科恩斯-塞勒综合征(KSS)会引起视力和听力问题,甚至可能导致患者失明和失聪。

 

线粒体DNA的突变与一些疾病具有密切关系。| 图片来源:Wikipedia

不过,这种现象背后的机制目前还不清楚。黄教授团队认为,这可能与细胞核中的父系线粒体清除相关的基因突变有关。如果线粒体DNA父系遗传背后的机制被揭示,线粒体遗传病的诊断和治疗将是另一番景象。

还有一点值得提及的是,如果这种现象在人类社会广泛存在,那么我们对人类进化和迁徙的认知有可能也会被改写。基于线粒体的母系遗传理论,通过研究不同人群的线粒体DNA,科学家还能够追踪这些群体在世界各地的迁徙,甚至能够确定所有人类可能的共同母系祖先,也就是“线粒体夏娃”。但进一步的研究如果表明父亲的线粒体DNA遗传更为普遍,那么我们对人类迁徙的整体理解可能就需要调整了或者提供新思路。

注:文章摘自网络。

 

 

 

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