大多数动物仅从母亲那里继承线粒体DNA，但当这一过程失败时，父亲的线粒体就会进入胚胎，从而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 可以通过恢复 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新的希望。
新的研究揭示了为什么父亲的线粒体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则之一：我们的 DNA 来自我们的父母。但有一个值得注意的例外困扰了科学家数十年：大多数动物，包括人类，都从母亲那里继承了线粒体（细胞的能量中心）内的 DNA，而父亲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破坏了。
科罗拉多大学博尔德分校10 月 4 日在《科学进展》杂志上发表的一项新研究揭示了为什么会发生这种情况，表明当该过程失败并且父系线粒体滑入发育中的胚胎时，可能会导致持久的神经、行为和发育障碍。成人的生殖问题。
这项针对秀丽隐杆线虫的研究提供了有关导致某些线粒体疾病的新线索，这些疾病阻碍了身体产生能量的能力，并共同影响了大约五千分之一的人。它还提出了一种可能预防或治疗它们的新方法——一种称为维生素 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本线粒体提供了重要的新见解，”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、资深作者丁雪说。 “它们还为治疗这一过程受到损害时可能引起的人类疾病提供了新的希望。”
当细胞电池电量不足时
线粒体通常被描述为细胞电池，它产生三磷酸腺苷 (ATP)，这是驱动几乎所有细胞功能的能量。
线粒体有自己独特的 DNA，通常仅从母亲遗传下来。
2016年，薛发表了第一批论文之一，阐述了父本线粒体是如何被消灭的——通过一种被称为“父本线粒体消除（PME）”的多方面的自毁机制，这一过程在蠕虫、啮齿类动物、和人类一样。
“这对一个人来说可能会很丢脸，但这是事实，”薛开玩笑说。 “我们的东西是如此不受欢迎，以至于进化设计了多种机制来确保它在繁殖过程中被清除。”
一些人推测，在与数百万个其他精子争夺穿透卵子的机会后，精子线粒体会被耗尽，并且基因会受到损害，如果遗传给后代，这在进化上将是灾难性的。
薛和他的团队着手找出当父系线粒体不自毁时会发生什么。
他们研究了秀丽隐杆线虫，这是一种半透明的蠕虫，它只含有 1000 个细胞，但发育出与人类相似的神经系统、肠道、肌肉和其他组织。
该团队无法完全阻止蠕虫中的 PME——这证明了这种进化过程的弹性。但他们能够将其推迟大约10个小时。当他们在受精卵中这样做时，会导致 ATP 显着减少。即使这些线虫最终存活下来，它们也会出现认知受损、活动改变以及繁殖困难的情况。
当研究人员用一种称为 MK-4（最著名的骨骼健康补充剂）的维生素 K2 治疗线虫时，胚胎中的 ATP 水平恢复到正常水平，并改善了成虫的记忆、活动和繁殖。
鲜为人知的疾病的希望
作者指出，只有少数有记录的案例表明，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 岁男子呼吸困难、肌肉无力、无法忍受运动。另一份报告记录了来自三个无关的多代家庭的 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。
需要对大型动物进行更多研究，但薛怀疑，在某些情况下，就像蠕虫一样，PME 的延迟可能会加剧难以诊断的人类疾病。
“如果 ATP 出现问题，它可能会影响人类生命周期的每个阶段，”他说。
薛想象有一天，一些有线粒体疾病病史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。
“有很多疾病我们知之甚少。没有人真正知道发生了什么。这项研究提供了线索，”薛说。
参考文献：
“父系线粒体消除的胚胎中度延迟会损害交配和认知，并改变成年动物的行为”，作者：Hu 张、Yunan Zhu 和 Ding Xu，2024 年 10 月 4 日， 《科学进展》。
DOI：10.1126/sciadv.adp8351
该研究由美国国立卫生研究院资助。