Science:史上首次!揭示為何父本線粒體在受精後不會遺傳給後代

2020-11-23 生物谷

2016年6月25日/生物谷BIOON/--半個世紀以來，人們就已了解到一些數量的DNA存在細胞核外的線粒體中。線粒體在細胞過程中發揮著至關重要的作用，提供讓細胞正常運轉的呼吸功能和代謝功能。

人們還發現在幾乎所有動物的繁殖期間，只有母本線粒體DNA傳遞給後代，而父本線粒體DNA在它發揮影響之前就在受精卵中被選擇性地摧毀了。這個過程背後的精確機制一直是不清楚的。談及線粒體遺傳時，為何母體基因是以犧牲父本基因的代價來發揮統治力呢？

在一項新的研究中，來自中國、美國和日本的研究人員針對這個長期存在生物學秘密，描述了他們在卵子被受精後立即對父本線粒體DNA進行密切監控，研究了它為何隨後被摧毀。他們發現精子線粒體DNA在進入胚胎中後，在自噬體（autophagosome）開始接觸和切割它之前，就已開始自我摧毀。相關研究結果於2016年6月23日在線發表在Science期刊上，論文標題為「Mitochondrial endonuclease G mediates breakdown of paternal mitochondria upon fertilization」。論文通信作者為來自中國香港中文大學的Byung-Ho Kang和來自美國科羅拉多大學博爾德分校的Ding Xue。

在這項新的研究中，研究人員利用電子顯微鏡觀察一種經常用於基因組學研究的多細胞蠕蟲：秀麗隱杆線蟲（Caenorhabditis elegans）。他們發現線蟲雄性精子在讓雌性卵子受精後不久就開啟它自身的線粒體DNA「自殺」，而且是在細胞質中的自噬體降解這種DNA之前開啟的，其中細胞質中的自噬體似乎作為一種額外的控制手段，確保雄性精子線粒體DNA不會變成受精後的胚胎基因組的一部分。

通過更加深入的研究，他們發現雄性精子線粒體（即父本線粒體）表達一種被稱作CPS-6的核酸內切酶G，這種核酸內切酶G摧毀它自身的線粒體DNA。他們也發現這種酶也降解保護這些父本線粒體的內膜，因而破壞它們的內膜完整性，並導致父本線粒體DNA自我降解。

Xue說，「最為令人吃驚之處在於父本線粒體在這一胚胎發育過程非常早的階段通過將這種核酸內切酶釋放到線粒體基質中降解線粒體基因組而主動地啟動它們自身的死亡。」

這些發現是研究人員首次觀察到和鑑定出核酸內切酶G和它的編碼基因負責清除線蟲中的父本線粒體。研究人員指出人類線粒體也有一種類似的核酸內切酶G，這提示著同樣的自我摧毀過程可能也在人體內發揮作用。

作為這項研究的一部分，研究人員改變一些線蟲父本線粒體的基因組，從而阻止它表達CPS-6。他們發現父本線粒體DNA在受精後的胚胎發育過程中持續存在更長時間，這隨後導致胚胎死亡。 Xue說，「這些結果提示著父本線粒體持續存在在進化上是不利的。

不過，人們仍不清楚為何阻止父本線粒體DNA進入胚胎基因組中是如此重要。研究人員猜測這可能是因為父本線粒體DNA是經歷千辛萬苦到達卵子中，已發生部分降解，因此，如果它包含在受精後的胚胎基因組中的話，就有可能會導致出生缺陷。」（生物谷 Bioon.com）

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Mitochondrial endonuclease G mediates breakdown of paternal mitochondria upon fertilization

doi:10.1126/science.aaf4777

Qinghua Zhou1,*,†, Haimin Li1,*, Hanzeng Li1,2,*, Akihisa Nakagawa1, Jason L. J. Lin3, Eui-Seung Lee1, Brian L. Harry1,4, Riley Robert Skeen-Gaar1, Yuji Suehiro5, Donna William6, Shohei Mitani5, Hanna S. Yuan3, Byung-Ho Kang7,‡, Ding Xue

Mitochondria are inherited maternally in most animals, but the mechanisms of selective paternal mitochondrial elimination (PME) are unknown. While examining fertilization in C. elegans, we observe that paternal mitochondria rapidly lose their inner membrane integrity. CPS-6, a mitochondrial endonuclease G, serves as a paternal mitochondrial factor that is critical for PME. The CPS-6 endonuclease relocates from the intermembrane space of paternal mitochondria to the matrix following fertilization to degrade mitochondrial DNA. It acts with maternal autophagy and proteasome machineries to promote PME. Loss of cps-6 delays breakdown of mitochondrial inner membranes, autophagosome enclosure of paternal mitochondria, and PME. Delayed removal of paternal mitochondria causes increased embryonic lethality, demonstrating that PME is important for normal animal development. Thus, CPS-6 functions as a paternal mitochondrial degradation factor during animal development.

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