新研究解释为何你会继承妈妈的活力

大多数动物只从母亲那里继承线粒体 DNA，但当这个过程失败时，父系线粒体滑入胚胎会导致严重的健康问题。科罗拉多大学对蛔虫的一项研究发现，维生素 K2 可能通过恢复 ATP 水平来预防或治疗这些问题，为理解和管理线粒体疾病带来了新的希望。

新研究揭示了为何父系线粒体DNA在发育过程中被消除，这可能为线粒体疾病的新疗法铺平道路。

这是生物学的基本原理之一：我们的 DNA 来自于我们的父母。

但有一个显著的例外困扰了科学家们几十年：包括人类在内的大多数动物都只从母亲那里继承了线粒体（细胞的能量中心）内的DNA，而其父亲的线粒体基因组的所有痕迹在精子与卵子结合的那一刻就被摧毁了。

10 月 4 日，科罗拉多大学博尔德分校在《科学进展》杂志上发表的一项新研究对这种现象发生的原因进行了新的阐释，研究表明，当这一过程失败时，父系线粒体会进入发育中的胚胎，这会导致成年人出现持久的神经、行为和生殖问题。

这项以线虫为对象的研究为某些线粒体疾病的成因提供了新线索。线粒体疾病会阻碍人体产生能量的能力，大约每 5,000 人中就有一人受到影响。研究还提出了一种可能预防或治疗这些疾病的新方法——一种名为维生素 K2 的简单维生素。

“这些发现为为什么在早期发育过程中必须迅速去除父系线粒体提供了重要的新见解，”资深作者、科罗拉多大学博尔德分校分子、细胞和发育生物学系 (MCDB) 教授薛丁说：“它们还为治疗可能因该过程受损而引起的人类疾病带来了新的希望。”

线粒体通常被描述为细胞电池，它产生三磷酸腺苷 (ATP)，即驱动几乎所有细胞功能的能量。

线粒体有自己独特的DNA，通常仅由母亲遗传下来。

2016 年，薛教授发表了首批阐明父系线粒体如何被消灭的论文之一——通过一种被称为“父系线粒体消除 (PME)”的多方面自毁机制，这一过程在线虫、啮齿动物和人类中都有记录。

“这对男性来说可能有点丢脸，但这是事实，”薛教授开玩笑说：“我们的物质是如此不受欢迎，以至于进化设计了多种机制来确保在繁殖过程中将其清除。”

有人推测，在与数百万个精子争夺卵子后，精子的线粒体会耗尽并发生基因损伤，而这些损伤如果遗传给后代，会对进化造成灾难性的后果。

薛教授和他的团队着手研究当父系线粒体不自毁时会发生什么情况。

他们研究了秀丽隐杆线虫，这是一种半透明的蠕虫，仅含有 1,000 个细胞，但却发育出与人类相似的神经系统、肠道、肌肉和其他组织。

研究小组无法完全阻止线虫的 PME，这证明了这一进化过程的适应性。但他们能够将其延迟约 10 小时。当他们在受精卵中这样做时，ATP 显著减少。如果线虫能活下来，它们的认知能力就会受损，活动能力也会改变，繁殖也会困难。

当研究人员用一种称为 MK-4 的维生素 K2（最为人所知的骨骼健康补充剂）治疗蠕虫时，胚胎中的 ATP 水平恢复正常，成虫的记忆力、活动能力和繁殖能力得到改善。

作者指出，只有少数记录在案的案例表明，在成年人中可能发现了父系线粒体 DNA。一篇论文描述了一名 28 岁的男子呼吸困难、肌肉无力，无法忍受运动。另一篇论文记录了三个无血缘关系的多代家庭的 17 名成员，他们患有疲劳、肌肉疼痛、言语迟缓和神经系统症状。

虽然还需要对更大型的动物进行更多的研究，但薛教授怀疑在某些情况下，就像线虫一样，PME 的单纯延迟就可能引发难以诊断的人类疾病。

他说道：“如果 ATP 出现问题，就会影响人类生命周期的每个阶段。”

薛想象有一天，一些患有线粒体疾病的家庭会在产前服用维生素 K2 作为预防措施。这项研究以及实验室正在进行的研究也可能带来诊断或治疗线粒体疾病的新方法。

“有很多疾病我们还不太清楚。没有人真正知道到底发生了什么。这项研究提供了线索，”薛教授强调。

参考文献：《胚胎期父系线粒体消除的适度延迟会损害交配和认知并改变成年动物的行为》，作者：张虎、朱云南和薛丁，2024 年 10 月 4 日，《科学进展》。DOI：10.1126/sciadv.adp8351

该项研究由美国国立卫生研究院资助。