線粒體的奧秘：細(xì)胞繁殖發(fā)育中的重要角色

陶詩秀

近期研究發(fā)現(xiàn)，性細(xì)胞的融合及發(fā)育不僅取決于雙親細(xì)胞基因，還受到一種細(xì)胞器的影響，這就是線粒體。

在長期的進(jìn)化中，生物體逐步將生殖功能局限于特殊器官，以減小性細(xì)胞融合時(shí)的不穩(wěn)定性，防止雜種DNA侵入。不僅如此，人們還注意到一個(gè)重要的現(xiàn)象：即通常受精細(xì)胞含雙親的染色體，但線粒體只來自一方（一般為雌性）。對這一現(xiàn)象如何加以解釋呢？部分科學(xué)家認(rèn)為，外來的細(xì)胞核處于休眠的生物化學(xué)狀態(tài)，而外界線粒體進(jìn)入新細(xì)胞會(huì)破壞原有線粒體同細(xì)胞核之間的穩(wěn)定關(guān)系，從而對受精細(xì)胞的生長發(fā)育產(chǎn)生不良影響。

現(xiàn)代細(xì)胞學(xué)已在一定程度上揭示了線粒體同細(xì)胞核之間的復(fù)雜關(guān)系。線粒體雖包含DNA，但它的部分結(jié)構(gòu)組成須依賴核內(nèi)基因的表達(dá)，這說明在進(jìn)化發(fā)育過程中其某些基因轉(zhuǎn)移到了細(xì)胞核中。不僅如此，核內(nèi)基因還左右著線粒體產(chǎn)生某些蛋白質(zhì)的能力，這種控制是通過核基因生成的控制子對線粒體酶發(fā)生作用來實(shí)現(xiàn)的。它對異源細(xì)胞核和線粒體的親和會(huì)產(chǎn)生什么樣的影響目前尚不清楚，但也許可以促進(jìn)同源的二者保持和諧的聯(lián)系。

德國學(xué)者卡爾·埃澤和尤爾里奇·庫克在對多柄孢殼屬真菌的研究中發(fā)現(xiàn)：當(dāng)線粒體釋放出一種質(zhì)更粒作用于細(xì)胞重要呼吸酶——細(xì)胞質(zhì)氧化酶時(shí)，細(xì)胞即停止生長，而這一過程有細(xì)胞核的參與，是由受核基因調(diào)控的漆酶啟動(dòng)的。一些科學(xué)家認(rèn)為，要想了解線粒體對細(xì)胞生長發(fā)育是怎樣影響的，漆酶及其所屬的多酚氧化酶是關(guān)鍵所在。線粒體中某些種類的感染性基因物質(zhì)與病原性真菌的致病性有關(guān)，如導(dǎo)致“荷蘭榆樹病”的長喙殼真菌中的致病性“d因子”。

真菌（尤其是擔(dān)子菌綱）的結(jié)合需要細(xì)胞核和線粒體的緊密配合。擔(dān)子菌菌絲體缺乏性細(xì)胞，其繁殖依賴于不同菌絲細(xì)胞的結(jié)合，這就為人們進(jìn)一步研究細(xì)胞繁殖過程中線粒體與細(xì)胞核的關(guān)系提供了良好樣本。真菌有兩種菌絲體，即同核體ho（只含一種類型的核）和異核體he（含兩種以上類型的核）。生殖結(jié)合可能發(fā)生于ho-ho之間或是在he-ho之間。最簡單的情況是兩種不同基因型的同核體進(jìn)行結(jié)合，結(jié)合后它們分別部分或全部地變?yōu)楫惡梭w。倫敦瑪麗女王學(xué)院的實(shí)驗(yàn)室證明，除了融合位點(diǎn)外，不同菌絲體細(xì)胞的線粒體不進(jìn)行交換融合。這種結(jié)合的特殊性表現(xiàn)在，它是由體細(xì)胞而不是性細(xì)胞來完成的，在許多生物體內(nèi)往往會(huì)引起排異反應(yīng)，但在這里排異的跡象是很輕微的。在整個(gè)過程中，一開始在兩種同核體結(jié)合處的細(xì)胞會(huì)出現(xiàn)活力衰退的現(xiàn)象，但當(dāng)細(xì)胞核交換以后就停止了。一般認(rèn)為這種衰退是由異胞線粒體的混合引起的，與同細(xì)胞核的作用無關(guān)。其他位點(diǎn)的細(xì)胞核能順利地進(jìn)行結(jié)合，并與受體細(xì)胞的線粒體建立起和諧的關(guān)系。然而，如果用來自不同地區(qū)的兩種樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，常常會(huì)導(dǎo)致結(jié)合后一方正常、另一方衰退的情況，這種不平衡性的潛在機(jī)理還是一個(gè)謎。同種類型的細(xì)胞核與不同細(xì)胞融合的結(jié)果各異，這說明細(xì)胞核與線粒體之間可能有著多種多樣的共存方式。

前面介紹了細(xì)胞繁殖中線粒體的重要作用，下面讓我們來看看它對細(xì)胞生長發(fā)育的意義。細(xì)胞生長發(fā)育可以劃分為兩大類型：確定性發(fā)育和不確定性發(fā)育。動(dòng)物細(xì)胞一般屬于前者。動(dòng)物體的大小和形狀基本由遺傳性限定，核基因?qū)?xì)胞發(fā)育起決定性作用，發(fā)育形式很難改變。細(xì)胞質(zhì)同細(xì)胞核在生物化學(xué)上的不協(xié)調(diào)性會(huì)引起細(xì)胞的死亡或者病變。雖然動(dòng)物細(xì)胞也能對環(huán)境條件的改變做出反應(yīng)，但往往要經(jīng)過許多代的自然選擇以后才能產(chǎn)生適應(yīng)性。不確定性發(fā)育是大多數(shù)植物和微生物細(xì)胞的發(fā)育方式，只要提供充足的水和養(yǎng)分，它們就能不停地生長。環(huán)境因素通過對細(xì)胞質(zhì)的影響，在很大程度上左右著細(xì)胞的生長發(fā)育，從而產(chǎn)生比較大的靈活性。它們的另一個(gè)特點(diǎn)是可以轉(zhuǎn)為確定性發(fā)育（一般在生長條件不利的情況下）。轉(zhuǎn)變以后，植物生成一些有特殊功能的細(xì)胞和器官，真菌產(chǎn)生孢子或性細(xì)胞，一部分細(xì)胞和組織死亡，以保證剩余部分的生長。而對包括人類在內(nèi)的動(dòng)物細(xì)胞來說，由確定性轉(zhuǎn)為不確定性則是癌變的前兆。

植物、微生物細(xì)胞由不確定性轉(zhuǎn)為確定性生長發(fā)育的過程是這樣的：當(dāng)環(huán)境中的某些理化條件改變時(shí)，細(xì)胞質(zhì)通過細(xì)胞膜上的受體可以感受到變化，由此引發(fā)一系列生物化學(xué)反應(yīng)，最終導(dǎo)致細(xì)胞核內(nèi)的特定基因啟動(dòng)，使體細(xì)胞變?yōu)樾约?xì)胞或其他有特殊功能的細(xì)胞。雖然人類目前對整個(gè)過程的復(fù)雜機(jī)理所知甚少，但有一點(diǎn)是確定無疑的，那就是線粒體在細(xì)胞生長發(fā)育過程中發(fā)揮著舉足輕重的作用。

上述生物化學(xué)反應(yīng)可能是由環(huán)化AMP和鈣離子激活的，它們在這里起到類似于激素的作用，啟動(dòng)多種酶參與反應(yīng)。細(xì)胞缺乏ATP，就不能釋放足夠的環(huán)化AMP，難以完成從環(huán)境因子到細(xì)胞核的信息傳遞；如果鈣離子過量，也會(huì)產(chǎn)生同樣的后果。因此當(dāng)環(huán)境改變時(shí)，細(xì)胞質(zhì)的化學(xué)成分（特別是ATP和鈣離子濃度）如何，直接關(guān)系到細(xì)胞能否順利實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)變。

線粒體不僅是生產(chǎn)ATP的細(xì)胞器，而且具有調(diào)節(jié)鈣離子濃度的功能——或者把它們吸收起來，或者把它們釋放到細(xì)胞質(zhì)中去。因此，線粒體完全可以控制細(xì)胞質(zhì)的化學(xué)成分，對轉(zhuǎn)變發(fā)育形式的重要意義是不言而喻的。

線粒體的產(chǎn)物ATP具有控制生化反應(yīng)進(jìn)而影響發(fā)育的作用。研究人員發(fā)現(xiàn)，某些細(xì)胞中ATP濃度的下降意味著次級代謝的開始，這是細(xì)胞對不利條件的一種反應(yīng)——停止生長，部分細(xì)胞開始發(fā)育。植物和微生物細(xì)胞的次級代謝經(jīng)特有的莽草酸途徑合成芳香類化合物，酚氧化酶以它們?yōu)榈孜镞B續(xù)催化反應(yīng)，最終生成疏水性黑色素。真菌細(xì)胞中芳香類物質(zhì)和酚氧化酶的同時(shí)大量出現(xiàn)，往往標(biāo)志著向確定性發(fā)育轉(zhuǎn)變的開始。

不確定性發(fā)育細(xì)胞有緩慢生長的致密結(jié)構(gòu)和快速生長的稀疏結(jié)構(gòu)這兩種分化類型。有關(guān)理論認(rèn)為，細(xì)胞膜內(nèi)外的流體壓力梯度差越大，分化體現(xiàn)得越明顯。在這里，線粒體的作用是怎樣的呢？它從兩方面影響細(xì)胞滲透壓：首先，線粒體的產(chǎn)物ATP是細(xì)胞膜上離子泵的能源，保證細(xì)胞能夠通過滲透作用不斷調(diào)節(jié)滲透壓；其次，線粒體調(diào)控次級代謝，生成疏水性的芳香類化合物等物質(zhì)，也能收到改變胞壓的效果。

目前，線粒體的奧秘還沒有全部被揭開，仍有待于進(jìn)一步研究和探索。