微小的线粒体发挥巨大的作用在人类进化和疾病

线粒体不仅是细胞的发电厂,这些微小的结构也在我们的生理机能发挥核心作用。此外,通过支持灵活的新环境的生理反应,线粒体帮助人类和其他哺乳动物适应和发展在整个地球上生命的历史。

线粒体生物学先驱科学家,道格拉斯·c·华莱士博士综合证据表明线粒体的重要性挑衅的角度来看今天在《华尔街日报》的文章细胞。

居住在大量外每个细胞的细胞核,线粒体包含自己的DNA,以独特的特性,“可能需要重新评估我们的一些核心假设人类遗传学和进化论,”华莱士,线粒体和外遗传性医学中心主任在费城儿童医院的。

华莱士已经对线粒体进行了40多年。1988年,他是第一个表明,线粒体DNA的突变(mtDNA)可以引起人类遗传疾病。他的身体的研究都集中在如何mtDNA突变导致罕见和常见疾病通过扰乱bioenergetics-chemical反应产生能量在细胞水平。

华莱士和同事先前的研究显示,在1970年代末,人类线粒体DNA是遗传母亲只通过。然后使用这些知识来重建古代移民的女性通过比较变化mtDNA全世界人口中。从这些研究中,科学家们得出结论,人类起源于非洲大约200000年前,只有两个mtDNA血统成功在大约65000年前离开非洲殖民剩下的世界。

从这些人类迁移研究基于见解,华莱士占用长期达尔文提出的科学问题evolution-both在人类和其他物种。亚种群进入偏远地区,他们是如何保持隔离在一个足够长的时间新species-defining特征出现在核基因,成为丰富了自然选择允许物种形成吗?

绝大多数的20000左右的基因存在于每个细胞的细胞核内的DNA,作为有别于mtDNA内13个蛋白编码基因。然而,华莱士认为mtDNA基因突变提供更快和更灵活的适应不断变化的环境比核DNA突变。mtDNA有更高的比核DNA突变率,本身可能危及物种生存,因为大多数DNA突变是有害的。然而,mtDNA突变改变生理在单细胞水平。因此,母亲的卵巢细胞港最有害的mtDNA突变受精之前可以被自然选择淘汰。因此只有轻微mtDNA变异,这可能是潜在的有益的一个子集,引入人口。

mtDNA +的高突变率卵巢选择从而为人类提供了一个强大的工具(动物)适应环境变化,不危害人口的总体生存。与核DNA线粒体DNA也交流信号,有助于推动进化的交互的生理过程。人群扩展到边际环境空间,华莱士认为,其通过mtDNA突变生理适应更好地利用有限的食物和其他资源的环境。这允许长期占领的边际环境,给足够的时间核DNA突变产生解剖结构适合在新环境中利用更丰富的食物资源。

支持这一假说,华莱士提出线粒体变异可能导致重要能源权衡。线粒体在细胞水平上,将氧气和养分输送到能源化学ATP,同时产生热量。在热带气候,这种耦合过程是最大限度地有效,允许更有效率的生产用最小的热产生ATP。在北极,食物ATP的转换效率较低,需要更多的卡路里消耗相同数量的ATP,产生更多的热量。如此不同的模式mtDNA在温暖与寒冷气候变化很可能有益。同样,西藏人口中的某些mtDNA变异丰富,表明mtDNA变异可能允许适应在高海拔低氧张力。

华莱士还引用了多个研究表明区域mtDNA变异与偏爱各种代谢和退化性疾病,包括老年痴呆症和帕金森病、糖尿病、肥胖和心血管疾病。

生物学家很早就知道,适应性带来的优势在另一个环境可以变得不那么有利的环境。华莱士指出这种现象的一个重要贡献者的生理性适应mtDNA变异。他假设,随着人口的迁移和饮食模式变得全球化,人们mtDNA优化一个环境,在那里他们撒哈拉以南非洲的饮食,可能不适应另一个环境,在那里他们可能消耗欧洲中部的饮食。“因为线粒体有着至关重要的作用在我们的生理机能,线粒体DNA的变化可以对人类生物学产生深远的影响,”他补充道。