粒線體（mitochondria）的DNA可以交換？

從國中（或許小學）生物開始，我們就知道粒線體是細胞的發電廠，有自己的DNA（下圖4），位於內膜（inner membrane）所圍起來的空間（基質，稱為matrix）裡。

粒線體。圖片來源：wiki

粒線體以二分裂法（fission）繁殖，但是在細胞中兩個（或更多）的粒線體也可以融合，形成長管狀的粒線體網絡（mitochondrial network）（1）。不過，不管是單獨的粒線體，或是粒線體網絡，大約很少有人想到：粒線體之間是否存在著DNA交換的問題？甚或是，細胞與細胞之間是否能交換粒線體DNA？

我們知道原核生物可以把體外的DNA吸收進來，成為自己的一部份，造成自己的性狀改變；這個過程稱為「轉型」（transformation），由Frederick Griffith在1928年於肺炎雙球菌（Streptococcus pneumoniae）的實驗裡觀察到。後來我們也知道，原核生物利用這個天賦來互通有無；尤其是在抗藥性基因。但是其他的DNA能交換嗎？對於細菌來說，還可以經過性毛（sex pili）來交換一部份的基因體DNA；就是這樣而已。

不過，在2015年1月發表於細胞代謝（Cell Metabolism）期刊上的一篇研究（2），足以讓我們重新想想「有規則就有例外」這句話。

紐西蘭的馬拉甘醫學研究所（Malaghan Institute of Medical Research）的研究團隊，在研究小鼠的乳癌時，意外地發現：癌症細胞在缺乏粒線體DNA的狀況下，可以從周圍健康的宿主細胞中獲取粒線體DNA。

圖片來源：Cell Metabolism

研究團隊將沒有粒線體DNA的小鼠乳癌細胞，注入健康的小鼠體內。由於這些細胞缺乏粒線體DNA，造成粒線體功能極度不良，只能依靠醣解作用（glycolysis）來產生能量，理論上應該會長得很慢才是。

但是，大約在一個月以後，研究團隊不僅看到原先注入癌細胞的部位長出了癌症，也在血液以及肺部發現了乳癌細胞。原先他們以為，這些癌細胞學會了如何在沒有粒線體的狀況下存活；但是，當他們在同事的建議下，測定這些跑到血液以及肺部的乳癌細胞的粒線體DNA時，卻發現：這些癌細胞裡面，有粒線體DNA的存在。而且，連位在注入部位的癌細胞（原位癌），都發現了粒線體DNA的存在。獲取粒線體DNA，使得這些癌細胞重新獲得進行細胞呼吸作用的能力。

研究團隊發現，這些癌細胞進行細胞呼吸作用的能力，與他們的「轉移程度」（筆者不大確定這個詞）有相關：原位癌最少，其次是血液中的癌細胞；而轉移到肺部的癌細胞，進行細胞呼吸作用的能力最好（雖然還不及原來的細胞）。

這個發現，除了讓我們認識到，原來真核細胞也可以交換粒線體DNA之外，另外也讓我們了解，原來癌細胞可以經由健康的宿主細胞獲取DNA之後，重新獲得快速生長以及轉移的能力。當然，小鼠與人之間容或有差異，但如果人的癌細胞也經由類似的機制獲取轉移的能力，未來可以針對這個機制，研發新的抗癌藥物。

參考文獻：

1. Bob Buchanan, Wilhelm Gruissem, Russell Jones. 2002. Biochemistry & Molecular Biology of Plants. Wiley.

2. An S. Tan, James W. Baty, Lan-Feng Dong, Ayenachew Bezawork-Geleta, Berwini Endaya, Jacob Goodwin, Martina Bajzikova, Jaromira Kovarova, Martin Peterka, Bing Yan, Elham Alizadeh Pesdar, Margarita Sobol, Anatolyj Filimonenko, Shani Stuart, Magdalena Vondrusova, Katarina Kluckova, Karishma Sachaphibulkij, Jakub Rohlena, Pavel Hozak, Jaroslav Truksa, David Eccles, Larisa M. Haupt, Lyn R. Griffiths, Jiri Neuzil, Michael V. Berridge. 2015. Mitochondrial Genome Acquisition Restores Respiratory Function and Tumorigenic Potential of Cancer Cells without Mitochondrial DNA. Cell Metabolism. 21（1）：81–94.