細胞生物學(xué)中最大的謎團之一是，為何線(xiàn)粒體（供應細胞能量的卵形結構）擁有它們自己的DNA，并且為何在細胞本身具有充足的遺傳物質(zhì)的情況下，線(xiàn)粒體還能保持它們自己的遺傳物質(zhì)？一項新的研究或許已經(jīng)找到了一個(gè)答案。

　　科學(xué)家們認為線(xiàn)粒體曾經(jīng)是獨立的單細胞生物，大約在10億年前，線(xiàn)粒體被更大的細胞吞食了。然而它們并沒(méi)有被消化掉，反而在大細胞里定居下來(lái)并且和它們的宿主一起演進(jìn)出互益關(guān)系，最終導致像現在的植物和動(dòng)物那樣更為復雜的生命的興起。

　　隨著(zhù)時(shí)間的推移，線(xiàn)粒體里的基因組在縮小?，F在細胞遺傳物質(zhì)絕大部分，甚至幫助線(xiàn)粒體執行其功能的基因，都在細胞核里。比如，人類(lèi)的線(xiàn)粒體里現在只有37個(gè)基因，而細胞核里則有兩萬(wàn)多個(gè)基因。在幾億年里，線(xiàn)粒體里大多數基因躍入細胞核內。但是如果這些基因是可以移動(dòng)的，那為何線(xiàn)粒體內還保留有基因？特別是考慮到其中一些保留下來(lái)的基因的變異會(huì )導致罕見(jiàn)但后果嚴重的疾病，會(huì )慢慢摧毀患者的大腦、肝臟、心臟以及其他一些重要器官。

　　科學(xué)家們反復思考一些可能的理論，但一直沒(méi)有堅實(shí)的數據能夠讓人做出選擇。

　　于是英國伯明翰大學(xué)的生物學(xué)家IainJohnston和美國麻省理工懷特黑德生物醫學(xué)研究所的生物學(xué)家BenWilliams構建了模型，首次利用數學(xué)方法來(lái)對比不同的假設。他們分析了來(lái)自于動(dòng)物、植物、真菌和原生生物（比如阿米巴蟲(chóng)）超過(guò)2000種不同的線(xiàn)粒體基因組。他們追蹤了這些基因組的進(jìn)化途徑并創(chuàng )立了一個(gè)運算法則來(lái)計算不同基因和基因組合在某些特定的時(shí)間點(diǎn)里丟失的概率。

　　“這一類(lèi)研究很少使用建模的方法，這是這一研究的創(chuàng )新之一。”加拿大溫哥華不列顛哥倫比亞大學(xué)的生物學(xué)家KeithAdams說(shuō)道，他沒(méi)有參加這一研究。

　　線(xiàn)粒體的產(chǎn)能過(guò)程涉及到一套發(fā)生在膜上，通過(guò)傳遞（高能）電子來(lái)進(jìn)行的化學(xué)反應（譯者注：專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)稱(chēng)為電子傳遞鏈）。在這套反應中，有一類(lèi)鑲嵌在線(xiàn)粒體內膜上的蛋白復合體（即結合在一起的一大團蛋白）起到了關(guān)鍵的作用。所有線(xiàn)粒體內所保留的基因都有助于用某種方式產(chǎn)生能量。但是研究團隊發(fā)現那些能夠產(chǎn)生位于這些蛋白質(zhì)結構中心部位的蛋白質(zhì)的基因更容易保留下來(lái)。那些負責能量產(chǎn)生外圍功能的基因，則更有可能轉移到細胞核內，研究團隊在今天出版的《CellSystems》雜志上報導道(http：//www.cell.com/cell-systems/abstract/S2405-4712(16)30029-1).

　　“把這些基因留在線(xiàn)粒體內是細胞獨立控制線(xiàn)粒體的一個(gè)方法。”Johnston說(shuō)道，因為一些關(guān)鍵的蛋白質(zhì)是在線(xiàn)粒體內產(chǎn)生的。這種就地控制的方式意味著(zhù)細胞能夠更快更有效地對于單個(gè)線(xiàn)粒體即時(shí)即地調控其能量的產(chǎn)生，而不是大范圍地改變細胞內幾十萬(wàn)個(gè)線(xiàn)粒體。例如，出了故障的線(xiàn)粒體能夠單獨修復，而不是產(chǎn)生可能會(huì )導致喪失平衡的地毯式的、整個(gè)細胞范圍內的應答反應。

　　這就像對付著(zhù)火災那樣，倫敦大學(xué)學(xué)院的生物學(xué)家JohnAllen說(shuō)道，他沒(méi)有參與這項研究。如果一幢大樓里有一間房著(zhù)火了，你不需要給大樓經(jīng)理打電話(huà)以獲得他的滅火許可，你直接拿起滅火器滅火即可。

　　“我認為這是一個(gè)非?；A的反饋機制。”Allen說(shuō)。在他自己的研究中，他發(fā)現的證據表明就在線(xiàn)粒體需要的地方生產(chǎn)線(xiàn)粒體蛋白質(zhì)有助于細胞更好地調控能量的產(chǎn)生。這種就地控制的方式對我們細胞內的其他結構同樣有益。但只有曾作為獨立細胞存在的線(xiàn)粒體擁有自身的命令中心。

　　Johnston和Williams的模型也指出了其他一些或許也很重要的因素。例如，如果基因編碼的線(xiàn)粒體蛋白質(zhì)是疏水的，這些基因更有可能留在線(xiàn)粒體內。如果這些蛋白質(zhì)是在細胞內其他地方制造的，那么它們可能會(huì )在運輸過(guò)程中被卡住，所以在線(xiàn)粒體內制造這些蛋白質(zhì)會(huì )更有效。

　　基因的化學(xué)組成本身也會(huì )影響基因在哪里存在?；瘜W(xué)上能夠忍受線(xiàn)粒體內惡劣條件的基因比起容易降解的基因，更有可能留在線(xiàn)粒體內。

　　Johnston認為他和Williams一起開(kāi)發(fā)出的計算機程序不僅僅可以用于篩查線(xiàn)粒體基因組。這一算法還可以用來(lái)分析在歷史過(guò)程中任何單一性狀的丟失或獲得，無(wú)論那是基因還是疾病癥狀。他希望應用這一思路這一模型能夠對未來(lái)預測也有幫助，比如對于疾病的演進(jìn)。