线粒体是细胞的“能量工厂”，它们源源不断地产生能量物质ATP以驱动生物体的各种生命活动。同时线粒体拥有自己的遗传物质DNA，被称为线粒体DNA或mtDNA，它们编码合成ATP所必需的蛋白或RNA。有趣的是，尽管雄性和雌性个体的生殖细胞都含有线粒体，在绝大部分动物种类包括人类中，线粒体却全部遗传自母亲 （即“母系线粒体”） ，而来自父亲的“父系线粒体”则在胚胎发育早期被全部清除掉，这一独特的遗传学现象被称为“母系线粒体遗传”或“父系线粒体清除”。虽然人们很早就注意到了线粒体在遗传中的这种特殊现象，却一直无法给出令人信服的解释，于是该现象便成为了生物学中一个长期令人困惑的“谜团”。
近日，美国科罗拉多大学博尔德分校 （University of Colorado at Boulder）薛定教授团队在这一重要的线粒体遗传学问题上取得了突破，相关研究成果以Moderate embryonic delay of paternal mitochondrial elimination impairs mating and cognition and alters behaviors of adult animals为题发表在10月4日的Science Advances杂志上。该文章以充分详实的证据表明：如果不及时清除胚胎中的父系线粒体，成年后的动物会表现出多种功能缺陷和行为异常，不利于动物个体的生存和种群的繁衍，从而论证了父系线粒体在胚胎发育早期被完全清除掉的必要性。
研究者以一种结构简单、繁殖迅速的微小动物“秀丽隐杆线虫”为模型，在雄性动物中引入有缺陷的线粒体核酸内切酶编码基因cps-6，该基因缺陷本身不会影响动物的正常生理功能，但能使父系线粒体在杂交后代的胚胎早期暂时不被完全清除，从而产生了特殊的父系线粒体延迟清除的杂交动物。通过一系列的行为学测试，研究者发现：在父系线粒体DNA和母系线粒体DNA存在差异的情况下，如果父系线粒体没有在杂交动物胚胎发育的早期被及时清除，那么在动物成年以后，其学习记忆能力将会显著降低、交配繁殖能力也明显下降，同时伴随着固有活动习性的显著改变。这些功能和行为的异常，显然不利于动物个体的生存和种群的繁衍。
那么，在胚胎时期未被及时清除的父系线粒体，为什么会造成成年动物出现一系列功能缺陷呢？对此，文章作者发现：DNA不一致的父系和母系线粒体的共存，显著降低了杂交胚胎的ATP水平，从而部分激活了对ATP水平敏感的AMPK/AAK-2和FOXO/DAF-16信号通路，造成动物出现功能和行为缺陷。如果给亲本动物喂食维生素MK-4，一种能提高ATP水平的小分子化合物，那么即使出现了父系线粒体延迟清除的情况，子代动物的学习记忆、交配繁殖、活动习性等生理功能也能得到明显改善。此外，作者还利用RNA干扰 （RNAi） 等方法精确控制AAK-2和DAF-16的表达水平，同样在父系线粒体延迟清除的动物中达到了改善功能缺陷、抑制行为异常的目的。这些证据显示：在父系线粒体延迟清除的动物胚胎中， ATP水平降低并激活AAK-2和DAF-16信号通路，是造成此类动物功能缺陷和行为异常的重要原因。
值得注意的是，父系线粒体清除的异常同样可能出现在人类中，成为导致多种生理缺陷或疾病的重要因素，此类问题应当引起相关领域研究者和医护人员的重视。
该研究项目的负责人薛定教授表示，考虑到MK-4在生物安全方面的良好表现和在动物实验中展现的积极作用，团队正在申请一项关于使用维生素MK-4改善由于父系线粒体清除异常所引发的功能缺陷的专利，并将推动其进入未来的治疗领域。科罗拉多大学薛定教授团队的张虎博士和朱玉楠是这项研究的共同第一作者。
http://doi.org/10.1126/sciadv.adp8351
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