來源：生物谷原創(chuàng) 2022-10-18 13:42
在一項新的研究中，來自英國劍橋大學和倫敦大學瑪麗皇后學院的研究人員發(fā)現(xiàn)每4000個新生兒中就有一個人的線粒體中的一些遺傳密碼會插入到人類的細胞核DNA中，這為人類的進化提供了一個令人驚訝的新視角。
在一項新的研究中，來自英國劍橋大學和倫敦大學瑪麗皇后學院的研究人員發(fā)現(xiàn)每4000個新生兒中就有一個人的線粒體中的一些遺傳密碼會插入到人類的細胞核DNA中，這為人類的進化提供了一個令人驚訝的新視角。他們還發(fā)現(xiàn)線粒體DNA也出現(xiàn)在一些癌癥DNA中，這表明它就像膏藥一樣，試圖修復人類遺傳密碼的損傷。相關研究結果于2022年10月5日在線發(fā)表在Nature期刊上，論文標題為“Nuclear-embedded mitochondrial DNA sequences in 66,083 human genomes”。
線粒體是位于我們細胞內(nèi)的微小“細胞器”，它們在那里像電池一樣，以ATP分子的形式提供能量，為細胞提供動力。每個線粒體都有自己的DNA---線粒體DNA，它與人類基因組的其他部分---細胞核DNA---不同。
線粒體DNA是通過母系傳遞的，也就是說，我們從母親而不是父親那里遺傳線粒體DNA。然而，2018年發(fā)表在PNAS上的一項研究中，來自美國辛辛那提兒童醫(yī)院醫(yī)療中心的研究人員報告說，有證據(jù)表明一些線粒體DNA可通過父系傳遞（PNAS, 2018, doi:10.1073/pnas.1810946115）。
為了研究這一說法，劍橋大學的一個研究團隊研究了Genomics England實驗室的十萬人基因組計劃（100,000 Genomes Project）招募的11000多個家庭的DNA，尋找看起來像父系遺傳的模式（Nature Communications, 2020, doi:10.1038/s41467-020-15336-3）。該團隊在一些孩子的細胞核DNA中發(fā)現(xiàn)了線粒體DNA的“插入”，而這些插入的線粒體DNA在其父母的DNA中并不存在。這意味著辛辛那提兒童醫(yī)院醫(yī)療中心的研究人員很可能得出了錯誤的結論：他們觀察到的不是父系遺傳的線粒體DNA，而是插入的線粒體DNA。
如今，通過將2020年的那項研究工作擴展到66000多人，這些作者發(fā)現(xiàn)這些新插入的線粒體DNA實際上一直在發(fā)生，顯示了我們基因組進化的一種新方式。
論文通訊作者、劍橋大學臨床神經(jīng)科學系的Patrick Chinnery教授解釋說，“幾十億年前，一個原始的動物細胞攝取了一個細菌，所攝取的細菌成為我們?nèi)缃袼f的線粒體。這些線粒體為細胞提供能量，使其能夠正常運作，同時去除氧氣，因為氧氣在高濃度下是有毒的。隨著時間的推移，這些原始線粒體的一部分已經(jīng)進入細胞核，使得它們的基因組能夠相互交談。這一切被認為是在很久之前發(fā)生的，大多是在我們作為一個物種形成之前，但我們發(fā)現(xiàn)這不是真的。我們可以看到這種情況現(xiàn)在就在發(fā)生，我們的線粒體遺傳密碼以一種可衡量的方式轉(zhuǎn)移到細胞核基因組中?！?/p>
這些作者估計，每4000個新生兒中就有一人的線粒體DNA轉(zhuǎn)移到細胞核DNA中。如果這個人有自己的孩子，他們就會把這些插入的線粒體DNA遺傳下去---這些作者發(fā)現(xiàn)，我們大多數(shù)人都攜帶有五種新插入的線粒體DNA，而我們每七個人中就有一個（14%）攜帶非常新插入的線粒體DNA。一旦插入到細胞核DNA中，這些插入的線粒體DNA偶爾會導致非常罕見的疾病，包括一種罕見的遺傳性癌癥形式。
目前還不清楚線粒體DNA是如何插入的---它是直接插入還是通過諸如RNA之類的中間物插入，但是Chinnery教授說，它很可能發(fā)生在母親的卵細胞中。
當這些作者研究從12500個腫瘤樣本中提取的序列時，他們發(fā)現(xiàn)線粒體DNA在腫瘤DNA中更為常見，大約1000例癌癥中就有一例的線粒體DNA出現(xiàn)在腫瘤DNA中，而且在某些情況下，線粒體DNA的插入實際上導致了癌癥。
檢測53574人中的核內(nèi)線粒體DNA片段（nuclear-mitochondrial segment,NUMT）。圖片來自Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-022-05288-7。
Chinnery教授說，“我們的細胞核遺傳密碼一直在斷裂和受到修復。線粒體DNA似乎幾乎像創(chuàng)可貼那樣幫助細胞核遺傳密碼自我修復。有時這是有效的，但在極少數(shù)情況下，這可能會使情況更糟，甚至引發(fā)腫瘤的產(chǎn)生”
超過一半（58%）的線粒體DNA插入是在細胞核基因組中編碼蛋白的區(qū)域。在大多數(shù)情況下，身體會識別入侵的線粒體DNA并在一種稱為甲基化的過程中使得它沉默。當病毒設法插入到我們的DNA時，也會發(fā)生類似的過程。然而，這種沉默的方法并不完美，因為一些插入的線粒體DNA繼續(xù)復制并在細胞核周圍移動。
這些作者尋找了可能發(fā)生相反情況---線粒體DNA攝取了我們的細胞核DNA的一部分---的證據(jù)，但沒有發(fā)現(xiàn)?？赡苡袔追N原因?qū)е逻@種情況。
首先，細胞只有兩個細胞核DNA拷貝，但有數(shù)千個線粒體DNA拷貝，因此線粒體DNA發(fā)生斷裂并進入細胞核的幾率比其他方式大得多。
其次，線粒體中的DNA被包裝在兩層膜內(nèi)，膜上沒有孔，所以細胞核DNA很難進入。相比之下，如果線粒體DNA成功逃脫出來，包圍細胞核DNA的核膜上的孔將使其相對容易地通過。
論文共同作者、倫敦大學瑪麗皇后學院的Mark Caulfield教授說，“我非常高興，十萬人基因組計劃解開了線粒體DNA和我們的細胞核中的基因組之間的動態(tài)相互作用。這確定了DNA修復中的一個新角色，但也可能偶爾引發(fā)罕見疾病，甚至惡性腫瘤?！保?a target="_blank" >生物谷 Bioon.com）
參考資料：
1. Wei Wei et al. Nuclear-embedded mitochondrial DNA sequences in 66,083 human genomes. Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-022-05288-7.
2. A new route to evolution: How DNA from our mitochondria works its way into our genomes
https://phys.org/news/2022-10-route-evolution-dna-mitochondria-genomes.html
