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| 圖片來源：維基百科 |
不只是可以產生能量（ATP），粒線體也會合成胺基酸。但是，粒線體如何平衡這兩種反應呢？
2024年11月8日 星期五
2024年2月1日 星期四
粒線體（mitochondria）的母系遺傳解謎
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| 圖片來源：Nature Genetics |
你知道我們的粒線體（mitochondria）都是來自母親嗎？如果你以前不知道，現在你知道了。
粒線體也被稱為細胞的能量工廠，負責進行細胞呼吸作用的丙酮酸氧化、檸檬酸循環以及電子傳遞鏈。一個葡萄糖經過細胞呼吸作用可以產生32 ATP，而其中的30個都是在粒線體，所以粒線體的重要性可想而知。
但是，我們的粒線體都是媽媽給的。每年母親節，都要感恩媽媽給你粒線體。（哈）
為什麼爸爸的粒線體不能傳給孩子？
有一種說法是，因為受精時只有精核進入卵細胞，精子其他的部分都被拋棄，所以爸爸的粒線體無法傳給孩子。
但是觀察的結果發現，精子的粒線體是會進入卵細胞的。那麼，為什麼最後都沒有留下來？
最近的研究發現，那是因為精子的粒線體都沒有DNA。
為什麼精子的粒線體DNA（稱為mtDNA）會不見？
研究團隊發現，精子在成熟過程中，會合成一個特別版的TFAM（mitochondrial transcription factor A）。這個TFAM並不只是一個轉錄因子，它還會緊緊地與mtDNA結合在一起，保護mtDNA，讓mtDNA不會被傷害。
但是在精子的成熟過程中，TFAM的mRNA會發生選擇性剪接（alternative splicing），產生一個不一樣的TFAM。這個TFAM前面雖然有粒線體的定位肽，卻缺少部分胰蛋白酶片段，導致不能被送進粒線體中，反而被磷酸化之後送進了細胞核。
缺少了TFAM的精子粒線體，它的DNA就會被分解，導致精子的粒線體沒有DNA。如此一來，雖然在受精時精子的粒線體也被送進卵細胞，但是卻因為缺少mtDNA無法自行複製，所以很快就變成時代的眼淚了。
也就是因為如此，所以我們都無法從自己的父親那裡得到粒線體。
參考文獻：
Lee, W., Zamudio-Ochoa, A., Buchel, G. et al. Molecular basis for maternal inheritance of human mitochondrial DNA. Nat Genet 55, 1632–1639 (2023). https://doi.org/10.1038/s41588-023-01505-9
2020年7月9日 星期四
科學家首次成功編輯粒線體（mitochondrion）DNA
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| 粒線體。圖片來源：維基百科。 |
最近美國哈佛與麻省理工學院的研究團隊，終於開發出可以編輯粒線體基因的工具了。編輯粒線體基因之所以難，難在過去許多基因編輯系統都會切斷雙股DNA，但粒線體的DNA被切開後很容易分解，這是難處之一；難處之二則是如CRISPR系統雖然可以很方便的直接編輯其中一股，但CRISPR需要帶入一段RNA，而這段RNA可能無法通過粒線體的內膜。
那麼這次研究團隊是怎麼解決這些問題呢？他們發現了一種屬於伯克氏菌屬的細菌Burkholderia cenocepacia 的毒性蛋白。這種毒性蛋白會把基因上的胞嘧啶（C，cytosine）直接改成尿嘧啶（U，uracil）。過去這類的蛋白質都只能在單股DNA上作用，但這個新的蛋白質卻可以在雙股DNA上直接進行序列的改變。
但是這個蛋白是毒性蛋白，如果直接轉入細胞，細胞會被它殺死。於是他們先把這種毒性蛋白切成兩半使它失去毒性，接著再把這切成兩半的毒性蛋白接上會辨認TALE DNA的蛋白質（TALE DNA-binding proteins），讓辨認TALE DNA的蛋白質帶領它到指定的序列去，接著這蛋白質就可以把它看到的C改成U了。
因為這個系統需要辨認TALE DNA的蛋白質，所以它在修改DNA的彈性上大大不如CRISPR（這個系統每次要修改一個新的基因，就要找一個新的TALE DNA辨認蛋白來接上去）。但是能修改粒線體DNA，已經是非常大的進步！目前研究團隊觀察到，在送入細胞後，有一半的粒線體基因可以被修改。研究團隊希望在將來，這個技術可以被應用在粒線體疾病的基因療法上。
參考文獻：
Mok BY, de Moraes MH, et al. A bacterial cytidine deaminase toxin enables CRISPR-free mitochondrial base editing. Nature, 2020 DOI: 10.1038/s41586-020-2477-4
2020年2月25日 星期二
沒有粒線體（mitochondria）的多細胞生物
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| 粒線體。圖片來源：維基百科 |
多細胞生物生存需要進行氧化代謝，因此多細胞生物都具備有粒線體。
最近加拿大的研究團隊發現了一種鮭魚的寄生蟲（Henneguya salminicola）沒有粒線體，意味著牠們不在體內進行氧化代謝。
研究團隊一開始只是要定序這種寄生蟲（一種刺胞動物）的基因體，意外地卻發現找不到粒線體的DNA；後來研究團隊進一步以染劑來觀察牠的DNA的位置，也沒有發現任何細胞核外的DNA。雖然牠有類似粒線體的胞器，但裡面完全沒有DNA喔！
缺少粒線體意味著這種生物不能進行氧化代謝。到底這種生物怎樣獲取牠所需的能量，目前還需要進一步的研究。
參考文獻：
A cnidarian parasite of salmon (Myxozoa: Henneguya) lacks a mitochondrial genome
2016年10月6日 星期四
真的有沒有粒線體的真核生物嗎？
從中學生物開始，我們就學會「粒線體是細胞的能量工廠」這件事；老師都這樣教，我們也這樣記，但是最近由加拿大與歐洲所組成的研究團隊卻找到了一個腸內寄生蟲Monocercomonoides sp.，它沒有粒線體！
什麼？它真的沒有粒線體嗎？過去曾有一些研究號稱找到「沒有粒線體」的生物，不過後來發現，其實粒線體分成四種，我們所熟知的粒線體，只是其中的一種而已。
看到這裡，讀者可能會很驚訝粒線體竟然有四種。不要急，待筆者道來：
一、好氧粒線體（aerobic mitochondria）：存在於哺乳類，使用氧氣作為電子傳遞鏈的接受者；它每代謝一個葡萄糖可以產生三十六個ATP。
二、厭氧粒線體（anaerobic mitochondria）：分佈於無脊椎動物（如牛羊肝吸蟲Fasciola hepatica或貽貝Mytilus edulis）中，不使用氧氣、每代謝一個葡萄糖產生五個ATP以及包括CO2, acetate, propionate, succinate等產物。一樣有檸檬酸循環與電子傳遞鏈。
三、真核單細胞原蟲的粒線體（hydrogenosomes）：每個葡萄糖產生四個ATP，利用丙酮酸的單純發酵產生氫氣與ATP。1973年第一次在滴蟲（trichomonads）裡面發現，後來在牛的瘤胃（rumen）裡面的壺菌門（chytridiomycete）真菌、纖毛蟲裡面都有發現。
四、不合成ATP的粒線體（mitosome）：這類的細菌在細胞質裡面，藉著與hydrogenosomes類似的酵素來合成ATP。大約每個葡萄糖只合成2-4個ATP，另產生CO2,acetate,ethanol。在1999年第一次在人腸內的寄生蟲痢疾阿米巴（Entamoeba histolytica）中發現，後來在2003年於梨形鞭毛蟲（Giardia lamblia）裡面也有發現。mitosome的產生可能因為這些生物多是細胞內或腸內寄生蟲，不需要進行有氧代謝，因此在演化的路上把那些進行有氧代謝所需要的酵素都丟光光了。
看完這四種，讀者不知道忽然意識到：原來粒線體大部分都不是好氧的！不過，後面那三種常被統稱為「粒線體相關胞器」（Mitochondrion-related organelle），簡稱MRO。而前面提到，過去號稱找到「沒有粒線體」的生物，其實後來有些都被發現帶有MRO。
那麼，這次的Monocercomonoides sp.是否真的沒有粒線體也沒有MRO呢？
如果真的沒有粒線體也沒有MRO，對真核生物來說會是一件超級嚴重的事情！怎麼說呢？
原來，粒線體對真核生物的重要性，不是只有在好氧代謝而已；真核生物還需要粒線體幫它們組裝「鐵-硫蛋白」（Iron-sulphur protein）。
鐵-硫蛋白是一群功能非常多元的蛋白質，它可以擔負著電子傳遞的功能（如在電子傳遞鏈裡面）、也可以是酵素（如在檸檬酸循環裡面將檸檬酸轉為異檸檬酸）、還可以用來感知周圍與胞內環境，以調節基因的表現；它甚至可能有結構上的功能呢！這麼重要的一群蛋白，在細胞內卻需要其他的蛋白質來幫忙組裝；在真核細胞，有兩個系統負責組裝它們：位於粒線體的ISC 裝配機制（ISC assembly machinery）與位於細胞質的CIA 機制（cytosolic Fe-S-protein assembly machinery）。
而我們的主角的基因體，不但找不到粒線體基因體、也找不到與運輸蛋白質進入粒線體相關的基因（mitochondrial import machinery）、也沒有負責合成心磷脂（cardiolipin，粒線體膜上特有的脂質）的基因...它甚至連ISC 裝配機制也沒有！
這實在太驚人了，就如我們前面提到，真核生物需要ISC 裝配機制與CIA機制來幫忙組裝鐵-硫蛋白，我們的主角沒有ISC 裝配機制（不過有CIA 機制），那它是怎麼組裝鐵-硫蛋白呢？
研究團隊在它的基因體裡面找到了另外一種裝配機制：SUF 系統。
這就特別了！過去SUF 系統只在細菌、古菌、質體（plastid）以及兩種真核生物（Pygsuia biforma 與 芽藻 Blastocystis sp.）中發現，會不會是污染到原核生物的DNA呢？
研究團隊檢查了一下，發現它的SUF 系統的基因中有內含子（intron）。由於內含子並不會存在於原核生物，所以可以排除原核生物DNA污染；而且用螢光染色也可以看到SUF 系統的基因。加上它的最近親 P. pyriformis也有SUF 系統的基因，所以研究團隊認為，它應該是在很久很久以前就從原核生物那裡取得了SUF 系統的基因囉！
研究團隊在檢視它的SUF 系統的基因時，也發現這些基因缺乏粒線體靶向信號（mitochondrial targeting signal），提供了更多證據支持：Monocercomonoides sp.真的沒有粒線體。
是否它真的是一個本來就沒有粒線體的真核生物，還是它的粒線體因為（一）長期居住在腸內，不需要好氧代謝，以及（二）導入了原核的SUF 系統，使粒線體僅剩的重要功能也不再需要；導致了它的粒線體完全消失了呢？有鑑於它的近親們都還是保有MRO，研究團隊傾向於它並不是本來就沒有粒線體，而是因為不再需要而退化到消失不見。
雖然是這麼說，不過這還是第一個在基因體中完全找不到粒線體的蛛絲馬跡的真核生物呢！真酷！
（本文版權為台大科教中心所有，其他單位需經同意始可轉載）
參考文獻：
1. Karnkowska A. et. al., A Eukaryote without a Mitochondrial Organelle. Current Biology (2016), http://dx.doi.org/10.1016/j.cub.2016.03.053
2. Martin, W. & Mentel, M. (2010). The Origin of Mitochondria. Nature Education 3(9):58
3. Roland Lill. 2009. Function and biogenesis of iron-sulfur proteins.Nature.460:831-838
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| Monocercomonoides sp. 圖片來源：Wikipedia |
看到這裡，讀者可能會很驚訝粒線體竟然有四種。不要急，待筆者道來：
一、好氧粒線體（aerobic mitochondria）：存在於哺乳類，使用氧氣作為電子傳遞鏈的接受者；它每代謝一個葡萄糖可以產生三十六個ATP。
二、厭氧粒線體（anaerobic mitochondria）：分佈於無脊椎動物（如牛羊肝吸蟲Fasciola hepatica或貽貝Mytilus edulis）中，不使用氧氣、每代謝一個葡萄糖產生五個ATP以及包括CO2, acetate, propionate, succinate等產物。一樣有檸檬酸循環與電子傳遞鏈。
三、真核單細胞原蟲的粒線體（hydrogenosomes）：每個葡萄糖產生四個ATP，利用丙酮酸的單純發酵產生氫氣與ATP。1973年第一次在滴蟲（trichomonads）裡面發現，後來在牛的瘤胃（rumen）裡面的壺菌門（chytridiomycete）真菌、纖毛蟲裡面都有發現。
四、不合成ATP的粒線體（mitosome）：這類的細菌在細胞質裡面，藉著與hydrogenosomes類似的酵素來合成ATP。大約每個葡萄糖只合成2-4個ATP，另產生CO2,acetate,ethanol。在1999年第一次在人腸內的寄生蟲痢疾阿米巴（Entamoeba histolytica）中發現，後來在2003年於梨形鞭毛蟲（Giardia lamblia）裡面也有發現。mitosome的產生可能因為這些生物多是細胞內或腸內寄生蟲，不需要進行有氧代謝，因此在演化的路上把那些進行有氧代謝所需要的酵素都丟光光了。
看完這四種，讀者不知道忽然意識到：原來粒線體大部分都不是好氧的！不過，後面那三種常被統稱為「粒線體相關胞器」（Mitochondrion-related organelle），簡稱MRO。而前面提到，過去號稱找到「沒有粒線體」的生物，其實後來有些都被發現帶有MRO。
那麼，這次的Monocercomonoides sp.是否真的沒有粒線體也沒有MRO呢？
如果真的沒有粒線體也沒有MRO，對真核生物來說會是一件超級嚴重的事情！怎麼說呢？
原來，粒線體對真核生物的重要性，不是只有在好氧代謝而已；真核生物還需要粒線體幫它們組裝「鐵-硫蛋白」（Iron-sulphur protein）。
鐵-硫蛋白是一群功能非常多元的蛋白質，它可以擔負著電子傳遞的功能（如在電子傳遞鏈裡面）、也可以是酵素（如在檸檬酸循環裡面將檸檬酸轉為異檸檬酸）、還可以用來感知周圍與胞內環境，以調節基因的表現；它甚至可能有結構上的功能呢！這麼重要的一群蛋白，在細胞內卻需要其他的蛋白質來幫忙組裝；在真核細胞，有兩個系統負責組裝它們：位於粒線體的ISC 裝配機制（ISC assembly machinery）與位於細胞質的CIA 機制（cytosolic Fe-S-protein assembly machinery）。
而我們的主角的基因體，不但找不到粒線體基因體、也找不到與運輸蛋白質進入粒線體相關的基因（mitochondrial import machinery）、也沒有負責合成心磷脂（cardiolipin，粒線體膜上特有的脂質）的基因...它甚至連ISC 裝配機制也沒有！
這實在太驚人了，就如我們前面提到，真核生物需要ISC 裝配機制與CIA機制來幫忙組裝鐵-硫蛋白，我們的主角沒有ISC 裝配機制（不過有CIA 機制），那它是怎麼組裝鐵-硫蛋白呢？
研究團隊在它的基因體裡面找到了另外一種裝配機制：SUF 系統。
這就特別了！過去SUF 系統只在細菌、古菌、質體（plastid）以及兩種真核生物（Pygsuia biforma 與 芽藻 Blastocystis sp.）中發現，會不會是污染到原核生物的DNA呢？
研究團隊檢查了一下，發現它的SUF 系統的基因中有內含子（intron）。由於內含子並不會存在於原核生物，所以可以排除原核生物DNA污染；而且用螢光染色也可以看到SUF 系統的基因。加上它的最近親 P. pyriformis也有SUF 系統的基因，所以研究團隊認為，它應該是在很久很久以前就從原核生物那裡取得了SUF 系統的基因囉！
研究團隊在檢視它的SUF 系統的基因時，也發現這些基因缺乏粒線體靶向信號（mitochondrial targeting signal），提供了更多證據支持：Monocercomonoides sp.真的沒有粒線體。
是否它真的是一個本來就沒有粒線體的真核生物，還是它的粒線體因為（一）長期居住在腸內，不需要好氧代謝，以及（二）導入了原核的SUF 系統，使粒線體僅剩的重要功能也不再需要；導致了它的粒線體完全消失了呢？有鑑於它的近親們都還是保有MRO，研究團隊傾向於它並不是本來就沒有粒線體，而是因為不再需要而退化到消失不見。
雖然是這麼說，不過這還是第一個在基因體中完全找不到粒線體的蛛絲馬跡的真核生物呢！真酷！
（本文版權為台大科教中心所有，其他單位需經同意始可轉載）
參考文獻：
1. Karnkowska A. et. al., A Eukaryote without a Mitochondrial Organelle. Current Biology (2016), http://dx.doi.org/10.1016/j.cub.2016.03.053
2. Martin, W. & Mentel, M. (2010). The Origin of Mitochondria. Nature Education 3(9):58
3. Roland Lill. 2009. Function and biogenesis of iron-sulfur proteins.Nature.460:831-838
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