記載著遺傳信息的DNA，分布在細(xì)胞內(nèi)的兩個位置：絕大部分位于細(xì)胞核，剩下的少部分位于線粒體——像“電池”一樣為細(xì)胞提供能量的一種細(xì)胞器。
先前，科學(xué)家普遍認(rèn)為，只有來自母親的線粒體DNA才能通過卵子遺傳給后代。這一現(xiàn)象也被稱為是“母系遺傳”。
然而2018年一篇發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）上的論文有了驚人發(fā)現(xiàn)。美國辛辛那提兒童醫(yī)院、中國廣西婦幼保健院、美國妙佑醫(yī)療國際（Mayo Clinic）等多家機構(gòu)聯(lián)合組合的一支團隊，在檢查一名疑似患有線粒體疾病的男孩時，通過高分辨率DNA測序發(fā)現(xiàn)，男孩及其姐妹、母親的線粒體DNA有極大的異質(zhì)性。
接著，研究團隊對三個獨立家庭的17人進行了DNA測序和比較后推斷，后代也能獲得一部分來自父親的線粒體DNA。這一發(fā)現(xiàn)無疑顛覆了普遍接受的線粒體遺傳法則，盡管背后的遺傳機制并不明了。
此后，英國劍橋大學(xué)的一支研究團隊擴大了尋找范圍，對記錄在冊的10000個家庭的全基因組測序數(shù)據(jù)進行了分析，查看其中是否也有后代獲得了遺傳自雙親的線粒體DNA。然而通過分析核全基因組序列，他們在一些孩子的細(xì)胞核DNA中發(fā)現(xiàn)了“插入“的線粒體DNA片段，即所謂的“核線粒體DNA片段”（NUMT），而這些插入片段并不存在于其父母的核DNA中。
這一發(fā)現(xiàn)對線粒體DNA的遺傳方式再次提出了質(zhì)疑：或許那些看似來自雙親的線粒體DNA片段，其實是一些移動了位置的插入片段。
為了確認(rèn)這些線粒體DNA片段的來源，劍橋大學(xué)Patrick Chinnery教授帶領(lǐng)的這支研究團隊又進一步擴大了范圍，分析了66000多人的全基因組序列。這些參與者來自英格蘭罕見病項目，其中包括12000多名癌癥患者。這一結(jié)果近期發(fā)表在了頂尖學(xué)術(shù)期刊《自然》上。
在新論文中，研究團隊指出，線粒體DNA實際上正在持續(xù)向細(xì)胞核轉(zhuǎn)移，平均每4000個新生兒中就有一個將線粒體的DNA片段插入自己的細(xì)胞核DNA中。而這些攜帶了插入片段的個體，就有機會把他們的NUMT傳給自己的后代。
根據(jù)這項新研究的估計，人群中絕大部分個體——超過99%，具有至少一種NUMT；每8個人中有1人攜帶罕見的NUMT。
▲在近6萬人檢測了1637種NUMT，顯示了不同NUMT在人群中的出現(xiàn)頻率（圖片來源：參考資料[1]）
Chinnery教授解釋說：“數(shù)十億年前，原始動物細(xì)胞吸納了一種細(xì)菌，這種細(xì)菌變成了我們現(xiàn)在所說的線粒體。它們?yōu)榧?xì)胞提供能量，使其能夠正常運作，同時去除氧，因為高濃度的氧是有毒的。隨著時間的推移，這些原始線粒體的片段進入了細(xì)胞核，使它們的基因組能夠相互交流?！?/span>
“這一切都被認(rèn)為發(fā)生在很久很久以前，在人類作為一個物種形成之前。然而我們發(fā)現(xiàn)并非如此?！盋hinnery教授補充說，“我們現(xiàn)在就可以看到這種情況正在進行：線粒體的遺傳密碼以可測量的方式轉(zhuǎn)移到核基因組中?！?/span>
研究人員還注意到，插入核DNA的線粒體DNA片段，有時會導(dǎo)致罕見的疾病，包括一些罕見的遺傳性癌癥。研究小組觀察了從12500個腫瘤樣本中提取的序列，發(fā)現(xiàn)來自線粒體的DNA在癌細(xì)胞的DNA中更為常見。
鑒于核基因組始終處于不斷損傷和修補的過程，研究人員猜測，這些來自線粒體的插入片段或許就像創(chuàng)可貼一樣，試圖修補細(xì)胞核DNA出現(xiàn)的損傷。“有時它起了作用，但偶爾它幫了倒忙，反而觸發(fā)了癌癥。”Chinnery教授推測說。
目前，研究人員還無法解釋線粒體DNA究竟是如何把自己插入核DNA的，比如是直接插入還是通過RNA之類的間接插入的。這些分子機制還有待后續(xù)研究揭秘。此外，如果說線粒體DNA會進入細(xì)胞核插入核DNA，那么反過來，細(xì)胞核DNA是不是也有可能進入線粒體呢？研究小組表示他們目前還沒有找到相關(guān)證據(jù)。但總而言之，這些發(fā)現(xiàn)再次刷新了我們關(guān)于線粒體DNA遺傳的認(rèn)知。
參考資料：
[1] Wei Wei et al., (2022) Nuclear-embedded mitochondrial DNA sequences in 66,083 human genomes. Nature. Doi: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05288-7
[2] A new route to evolution: how DNA from our mitochondria works its way into our genomes. Retrieved Oct. 9, 2022 from https://www.eurekalert.org/news-releases/966567
[3] Shiyu Luo et al., (2018), Biparental Inheritance of Mitochondrial DNA in Humans, PNAS, DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.1810946115
