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粒線體一定是母系遺傳?爸爸偶爾也是有戲份的!

  • 文/楊宜蓓

一直以來,我們從課本上學到:人類的粒線體只會來自母親。

但是,在 2018 年十一月,科學家在 PNAS 科學期刊上發表了新的發現:粒線體也會遺傳自父親1。研究報導發現了 17 位來自三個不同家族的病人都擁有來自雙親的粒線體。這關乎到哪些科學基礎? 又為什麼粒線體DNA 在多數的情況下都來自母親呢?

粒線體,細胞的發電廠

粒線體 (mitochondrion)是細胞中的胞器,擁有不同於染色體的DNA 4

人類的身體就像是一個分工精密、24 小時作業的工廠,而粒線體就像是工廠裡的發電機,它提供了細胞所需要的基本能量,讓你的身體能夠正常運作。

每個細胞擁有數個粒線體,不同於細胞核,粒線體擁有獨立的 DNA (mitochondrial DNA, mtDNA),為什麼呢? 這要回溯到生命的起源:粒線體其實是被其他細胞吞下去的細菌,但它順利的和原始細胞共生,保留了自己的 DNA,而最後演化成粒線體。

為什麼我們的粒線體都來自母親?

圖/pexels

我們的基因經過重組,一半來自父親、一半來自母親,但為什麼唯獨粒線體 DNA 一定來自母親呢?在受精的過程當中,精子的粒線體基本上是不會進入卵子,那些不小心進入卵子的精子粒線體 (paternal leakage),會被標記,這些被標記的粒線體最終只會走向死亡,被分解。身體有如此的保護機制的可能原因是:

  • 第一,精子的mtDNA突變的機率比較高,因為精子在衝向卵子前,靠著粒線體全力衝刺,想像一個被操到爆的車子,引擎難免有些受損,如果這些突變的 mtDNA 被保留,對細胞造成危害的風險也會提高2
  • 第二,細胞內的粒線體 DNA 必須保持均一性 (homoplasmy),別忘了細胞就是個小工廠,細胞核和粒線體需要完美的配合,如果一個細胞中含有不一樣的粒線體,使細胞核和粒線體無法有效的合作,可能會造成粒線體失去功能,甚至造成糖尿病或癌症等疾病2。這個嚴謹的母系遺傳機制,也讓科學家可以追溯粒線體夏娃,建構出母系遺傳的祖譜

來自父親的粒線體

圖/pixabay

作者黃醫生(Taosheng Huang)在 PNAS 發表了新的發現,他有一位四歲的病人居然帶有雙親的粒線體DNA,緊接著他的團隊發現了三個家族中, 17 個病人都有一樣的現象,這三個家族並無血緣關係,且父系粒線體的存在率為 24-76%。

這位四歲的病人因為粒線體疾病,出現疲倦和肌肉無力的症狀,經過黃醫生的檢查後,發現此病人擁有兩種不同的 mtDNA。黃醫生也很驚訝,繼續往上追溯病人的家族,發現這個病人的母親除了其母親的粒線體,也擁有其父親的粒線體,並同時將兩組粒線體遺傳給了兒子。緊接著,他的團隊在其他病人中,發現了另外二個家族也有一樣的現象。

除此之外,雖然黃醫生的病人皆出現粒線體的疾病,但是其他擁有混合粒線體的家人都很健康。這項特殊的粒線體遺傳能力似乎是因為染色體的突變,除了消滅精子粒線體的機制失靈了,身體還允許雙親的粒線體共存,且這個能力能夠被遺傳給下一代。但目前為止,仍需要更多實驗去證實背後的機制,到底為什麼精子的粒線體能夠躲過摧毀機制,並且被細胞保留。

這個新發現也許能提供粒線體疾病一種新療法

圖/pixabay

這個新發現也許能提供粒線體疾病一種新療法。3,4現行的技術下,若母親的粒線體有缺陷,為了避免其遺傳至小孩,有種療法可以將母親卵子的細胞核放入另一個已剔除核且擁有健康粒線體的卵子,再將其混合的卵子與父親的精子受精,形成「三個父母的小孩 (three-parent baby)」,如此,小孩就會擁有健康的粒線體。但這項療法目前仍存在道德爭議性,而且美國仍禁止此種技術,但是,如果能使用父親的 mtDNA 改善或取代有缺陷的粒線體,當母親的粒線體有問題時,父親的就可以派上用場!但這個理論也需要更多的實驗去證實,畢竟精子的 mtDNA 產生的突變機率更大,會帶來更多的風險。

人類的粒線體母系遺傳仍是主流,作者也認為未來的路還很長,還需要更多的研究去證實遺傳方式,不過,這個發現仍帶給科學界相當多的震撼,也許未來會有更多的案例被發現也不一定。

參考文獻

  1. Shiyu Luo, C. Alexander Valencia, Jinglan Zhang, Ni-Chung Lee, Jesse Slone, Baoheng Gui, Xinjian Wang, Zhuo Li, Sarah Dell, Jenice Brown, Stella Maris Chen, Yin-Hsiu Chien, Wuh-Liang Hwu, Pi-Chuan Fan, Lee-Jun Wong, Paldeep S. Atwal, and Taosheng Huang (2018) Biparental Inheritance of Mitochondrial DNA in Humans, PNAS 115 (51) 13039-13044
  2. Sophie Breton and Donald T. Stewart (2015) Atypical mitochondrial inheritance patterns in eukaryotes, Genome, 2015, 58(10): 423-431,
  3. Not Your Mom’s Genes: Mitochondrial DNA Can Come from Dad, NOVA, 2018
  4. How to make a “three-parent” baby, Science News for Students, 2017

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關於作者

活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。

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