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粒線體為何要保留基因-《能量、性、自殺:粒線體與我們的生命》

誠如以上所述,基因從粒線體轉移到宿主細胞已經足以解釋真核細胞的發端,不需用上任何演化新發明(有不同功能的新的基因)。不過基因轉移的輕鬆容易,反而勾起了另一個可疑的問題:為什麼還會有基因留在粒線體內呢?為什麼不全都轉移到細胞核裡呢?

在粒線體內保留基因有很多壞處。首先,每個細胞內有數百套,甚至數千套粒線體基因體(每個粒線體通常會有五到十套)。粒線體DNA之所以在犯罪鑑識以及古遺體鑑定方面如此重要,原因之一就是這龐大的套數──它們的數量豐富到令人困擾,若想分離出至少一點粒線體基因通常都沒有問題。然而基於同樣的道理,細胞每次分裂時都必須複製大量看似多餘的基因。不只這樣,每個粒線體還都必須保留自己的遺傳設備,用來轉錄自己的基因,組裝自己的蛋白質。以細菌講求經濟的標準來看(就像我們先前看過的,用不上的基因就盡快丟掉),留著這些冗贅的基因小隊似乎是一大筆虛擲的開銷。而且,我們在第六單元將會看到,若不同基因體在一個細胞內彼此競爭,可能會造成毀滅性的後果──天擇可能會使粒線體不考慮長遠的代價,只顧博得眼前的某個基因,而陷入與彼此或是與宿主細胞間的鬥爭。第三,將基因這種脆弱的資訊系統,儲存在緊鄰粒線體呼吸鏈,極易被外洩的破壞性自由基波及之處,等於是把珍貴的藏書收存在木製的簡陋小屋,裡頭還住著一個登記有案的縱火狂。粒線體基因有多容易受破壞?這反映在它們的演化速度上──以哺乳類為例,它們比核基因快上約二十倍。

所以,保留粒線體基因是要付出極大代價的。我再重複問一次:如果基因轉移很輕鬆容易,那到底為什麼還會有粒線體基因留在粒線體?首要並且也是最淺顯的原因是,問題不在於基因;粒線體需要的是這些基因的產物,也就是蛋白質,在它們體內執行功能。這些蛋白質大多和細胞呼吸作用有關,也因此對細胞的生命非常重要。如果這些基因被運送到核內,還是得找方法把它們的蛋白質產物送回粒線體,如果沒有成功送達,細胞很有可能會死亡。話雖如此,但還是有許多在細胞核表現的蛋白質會返抵粒線體。它們被「標記」了一小段胺基酸鏈──等同於一張地址標籤,指向最終的目的地,就像幾頁前我們討論脂質時所說過的一樣。粒線體膜表面的蛋白質複合體可以辨識這個地址標籤,就像海關一樣,控制膜內外的進出口情形。好幾百種屬於粒線體的蛋白質都以這種方式標記運送。這個系統很單純,但正因如此又引發了一個問題──為什麼不能讓所有預計在粒線體作用的蛋白質,都用這種方式標記呢?

教科書上的答案是,它們可以,只是布署這一切要花很長的時間,即使以廣袤的演化時間來看依舊很長。必須先順利通過好些隨機事件,蛋白質才可能被成功送回粒線體。首先,基因必須好好地併入細胞核,也就是整段基因(而不是只有片段)都被轉移到細胞核內,然後融入細胞核DNA。合併之後,要能作用:這基因必須被啟動,被轉錄,製造蛋白質。這可能會很困難,因為基因大體上是隨機插入細胞核DNA的,如此可能會使原有的基因,或是主管基因活性的調控性序列被破壞。其次,蛋白質必須獲得正確的地址標記,這也是一項隨機事件;如果沒有得到正確的標記,蛋白質就不會被送回粒線體,而是在細胞質被製造出來後就留在原地,像是進不了特洛伊的落魄木馬。取得正確的地址標記需要時間,而且是極為漫長的時間。因此,理論學家認為,所剩無幾的粒線體基因只不過是日漸萎縮的殘跡。假以時日,或許數億年之後,粒線體內將會一個基因也不剩。而不同物種的粒線體剩下的基因數目不同,更是坐實了此一過程的緩慢及隨機特質。

光靠核是不夠的

不過這個答案不是很有說服力。所有物種都失去了幾乎全部的粒線體基因,但沒有一個物種失去了全部的基因。它們剩下的基因全都不超過一百個,二十億年前左右則大概有數千個,因此對所有物種而言這段旅程都已是進入了尾聲。基因流失在不同物種身上平行發生,它們互不相干,各自丟棄自己的粒線體基因。以基因流失的比例來看,目前所有物種都已失去了百分之九十五到百分之九十九點九的粒線體基因。如果機運是唯一的主導因素,我們應該會預期,時至今日,至少會有幾個物種已走完全程,將所有粒線體基因都轉移到核基因體內。然而沒有一個物種做到這點。所有已知的粒線體都還留著至少一些些基因。更重要的是,不同物種中分離出的粒線體,毫無例外地保留了相同的核心小組基因。它們個別丟棄了大部分的基因,實質上卻都留下了同樣的一小撮,這再次暗示了這項機制的運作不該歸於機運。有趣的是,和粒線體地位相近的葉綠體身上也有類似的情形:沒有任何葉綠體失去了所有的基因,而且同樣的,出現在它們身上的基因總是會包含相同的核心小組。相形之下,其他和粒線體相關的胞器,如氫化酶體和粒線體殘跡,則是一律喪失了所有的基因。

所有粒線體都有保留基因的現象,學界提出過幾個原因試圖予以解釋,但大部分都不是非常有說服力。舉例來說,有個一度頗受歡迎的想法是說,有些蛋白質無法被標記送入粒線體,因為它們太大,或是疏水性太強了。然而事實上,大部分具有這些特質的蛋白質,也都成功地在某些物種身上,靠著標記的方式或是遺傳工程,送達了粒線體。顯然,要將蛋白質打包並配送至粒線體,它們的物理性質不會構成無法跨越的障礙。還有一種看法是,粒線體的遺傳系統包含某些不符合通用基因密碼的例外,因此粒線體基因和核基因就不是絕對等效的。如果這些基因被搬到核內,並根據標準基因密碼解讀出來,製造出的蛋白質便會和粒線體遺傳系統不盡相同,或許會無法產生正確的功效。不過這也不是完整的答案,因為很多物種的粒線體基因是符合通用基因密碼的,在這些案例裡它們不應會有差別,這些粒線體也就沒有理由不能被轉移到細胞核──但它們卻還是頑固地留在粒線體。同樣的,葉綠體的基因所使用的密碼無異於通用基因密碼,但它們也像粒線體一樣,永遠在手邊保留著一組基因的核心小隊。

我心目中的正確答案,儘管早在一九九三年就由艾倫(其後任職於瑞典的隆德大學)提出,但最近才開始在演化生物學家之間獲得認可。艾倫主張,有很多很好的理由支持粒線體基因該全部搬進核裡,「技術面」上也沒有明顯的障礙迫使它們留下來。因此它們會留下來,一定是基於某種非常有力的正面因素。它們留在那裡並非出於巧合,而是因為天擇傾向保留它們,儘管這樣缺點很多。兩相權衡之下,利多於弊(至少就留下的這一小部分而言是如此)。但既然它的缺點如此重大而明顯,那我們怎麼會沒有看到它的優勢?它們應該要比缺點來得更有分量啊?

據艾倫所言,原因正是在於粒線體存在的理由:呼吸。呼吸作用的速度對變動的環境相當敏感──不管我們是醒著,睡著,正在做有氧運動,或是無所事事,在寫書,還是在追球。面對這些突如其來的變化,粒線體需要在分子層級上調整自己的活性──這些需求太重要,而變動又太突然,不適合由遠在細胞核、官僚的基因聯邦政府進行遙控。這般需求驟變的狀況不只發生在動物身上,也會發生在植物、真菌或微生物,它們甚至更容易受分子層級的環境變化(像是氧濃度的改變,還有冷或是熱)所影響。為了有效地回應這樣的驟變,艾倫主張,粒線體需要保留一支基因前哨部隊在現場,因為在粒線體膜上進行的氧化還原反應,必須靠基因在當場進行嚴密調控。請注意這裡我指的是基因本身,而不是它們所表現的蛋白質;待會我們將深入探討這些基因為何重要。但在我們繼續之前,請先注意,需要反應快速的駐地基因單位一事,不只說明了粒線體為何必須保留一小組基因,我相信除此之外,它也解釋了細菌為何無法單靠天擇的力量,演化成更複雜的真核細胞。

(全文未完)

摘自PanSci 2013 六月選書《能量、性、自殺:粒線體與我們的生命》,貓頭鷹出版。

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