最近，清華大學薛定教授和香港中文大學姜秉昊教授的聯(lián)合課題組在線粒體遺傳領域取得重要突破,。他們以線蟲為模式生物發(fā)現(xiàn)了調(diào)節(jié)父系線粒體選擇性清除的一個關鍵機制，即線粒體分裂和融合之間的平衡,。這一成果發(fā)表在近期的nature子刊《nature communications》上,。

眾所周知，線粒體在哺乳動物中是遵循母系遺傳規(guī)律的,，即個體的線粒體dna只能從母親那里遺傳而來,。在受精卵發(fā)育的過程中，來自卵子的線粒體會得以保留并繼續(xù)擴增,，而來自精子的線粒體則會逐步消亡,。自噬過程——這一細胞通過形成雙層膜的自噬小體以清除衰老、損壞或多余細胞組分的機制——被認為參與了上述受精卵中父系線粒體的選擇性清除,。受精卵究竟是怎樣將父系和母系的線粒體區(qū)分開,，并將其中一種清除的呢？

我們知道,，精子（父系）線粒體和卵子（母系）線粒體之間在形態(tài)上有著明顯差別：精子染色體呈球狀,；而卵子染色體呈通常的管狀。這一差別為觀察二者在胚胎中的動態(tài)提供了有利條件,。

研究者首先發(fā)現(xiàn),，發(fā)生于drp-1基因的tm1108突變和fzo-1基因的tm1133突變，可分別導致胚胎中線粒體分裂和融合缺陷,，分別導致產(chǎn)生超長多分枝和過度碎片化的線粒體形態(tài),。然而，這兩種突變的效應并不止于線粒體的分裂和融合,。正常情況下,，野生型胚胎到了64細胞階段時，父系線粒體就已被完全清除,。然而,，當將tm1108突變的精子和卵子雜交后，所產(chǎn)生的胚胎中父系線粒體的清除被顯著延遲,，直到胚胎發(fā)育到具有500個左右細胞時才可完成,。同時,，若野生型卵子與tm1108突變精子雜交，父系線粒體的清除也會受到類似的延遲影響,。相反地,，在tm1108突變卵子和野生型精子產(chǎn)生的胚胎中，父系線粒體的清除幾乎仍照常進行,。這說明,，精子——而非卵子——中的線粒體分裂機制可能影響到胚胎中父系線粒體的選擇性清除。

tm1133突變對于父系線粒體選擇性清除的影響則更為微妙,。當野生型卵子遇到tm1133突變精子時,，胚胎中父系線粒體的清除過程稍有加快，在32細胞階段完成,；當tm1133突變卵子遇到野生型精子時,，父系線粒體的清除過程則被明顯延遲，直到500個左右細胞的階段才完成,；而當精子和卵子均攜帶tm1133突變時,，前述兩種方向相反的效應則相互抵消，胚胎中父系線粒體的清除過程照常進行,，仍會在64細胞階段完結(jié),。類似地，卵子中的tm1108突變也可抵消tm1133突變所帶來的線粒體碎片化和清除延遲效應：當tm1108和tm1133雙突變卵子與野生型精子雜交后,，胚胎中的線粒體形態(tài)和父系線粒體清除過程一切如常,。

那么，這兩種突變究竟是如何影響胚胎中的線粒體形態(tài)和選擇性清除的呢,？在正常情況下,，精子線粒體主要位于精子進入受精卵的近細胞表面處，這時會有大量的自噬小體聚集此處,，以將精子線粒體逐步清除,。然而，在tm1133突變卵子與野生型精子產(chǎn)生的受精卵中,，自噬小體則會分散在整個細胞,，這很可能是因為tm1133突變導致的卵子線粒體高度片段化極大了吸引了自噬小體的“注意力”，從而使后者無法集中精力清除精子線粒體,。另一方面,，卵子中的tm1108突變則可逆轉(zhuǎn)上述過程。這說明,，fzo-1基因可通過影響卵子線粒體的形態(tài)特征,，決定了受精卵中自噬小體的分布，從而改變了精子線粒體的清除速率。

事實上,，當精子線粒體進入卵子后,，其線粒體膜上的通透性立即加大，跨膜電位會迅速消失,，同時線粒體嵴的結(jié)構也很快解體,，而上述變化則會吸引受精卵中的自噬小體前來將其清除。另一方面,，tm1133突變存在時,，卵子線粒體也會因分裂過度而出現(xiàn)異常，包括跨膜電位下降,、線粒體嵴結(jié)構破壞和基質(zhì)中大型內(nèi)含體的形成,，導致一部分吞噬小體前來聚集，因此與精子線粒體在“爭取”吞噬小體上產(chǎn)生了競爭關系,，延緩了精子線粒體的選擇性清除進程,。這時，如果精子線粒體因帶有tm1108突變而出現(xiàn)分裂頻次下降時,，其在胚胎中的清除過程則會被進一步延緩。

謎底就這樣的揭開了,。原來,，胚胎中的父系線粒體之所以被識別并清除，在于線粒體本身的狀態(tài),，即是否處于可被自噬小體識別的異常狀態(tài),，而這種異常狀態(tài)并非只能出現(xiàn)于父系線粒體。線粒體越是過度分裂,，其異常則越明顯,，從而越容易吸引來吞噬小體將其清除。反之,，線粒體越是傾向于融合,，則其越難以被自噬小體清除。

這一發(fā)現(xiàn)揭示了線粒體母系遺傳這十分根本的生物學現(xiàn)象背后的發(fā)生機制,，顯示了線粒體動態(tài)對于其早期胚胎中的清除速率和選擇性的決定作用,。