性細(xì)胞進(jìn)化為傳遞優(yōu)質(zhì)線粒體
根據(jù)新的倫敦大學(xué)學(xué)院的研究,哺乳動(dòng)物通過卵子和精子使它們的基因永生化,以確保后代繼承優(yōu)質(zhì)的線粒體來為身體的細(xì)胞提供動(dòng)力。在此之前,人們不知道為什么哺乳動(dòng)物依賴于在發(fā)育早期形成的專用性細(xì)胞(種系)來制造后代,而植物和其他簡(jiǎn)單動(dòng)物,如珊瑚和海綿,則使用生命后期產(chǎn)生的性細(xì)胞來自正常體組織。
在今天發(fā)表于PLOS Biology并由自然環(huán)境研究委員會(huì),工程與物理科學(xué)研究委員會(huì)和Leverhulme Trust資助的一項(xiàng)新研究中,倫敦大學(xué)學(xué)院的科學(xué)家開發(fā)了一種進(jìn)化模型來研究這些差異如何隨著時(shí)間的推移而演變并發(fā)現(xiàn)哺乳動(dòng)物的種系針對(duì)線粒體(細(xì)胞的發(fā)電站)的選擇而發(fā)展。
第一作者和倫敦大學(xué)學(xué)院博士生Arunas Radzvilavicius說:“當(dāng)植物和其他古代動(dòng)物沒有時(shí),有許多關(guān)于為什么哺乳動(dòng)物有特殊種系的理論。有人認(rèn)為它是由于組織的復(fù)雜性或細(xì)胞之間的自私?jīng)_突造成的。性細(xì)胞和正常身體組織之間的區(qū)別似乎是非常復(fù)雜的特殊組織如腦的進(jìn)化所必需的。
“令人驚訝的是,我們發(fā)現(xiàn)這些不是原因。相反,它是關(guān)于線粒體DNA隨時(shí)間的基因突變的數(shù)量,這在生物體之間是不同的,并且由線粒體在每個(gè)細(xì)胞中隨機(jī)分配到子細(xì)胞中引起的細(xì)胞之間的變異。師。”
在植物中,線粒體突變緩慢蔓延,因此不需要種系,因?yàn)橥蛔兺ㄟ^自然選擇得到糾正。通過從用于制備正常組織細(xì)胞的相同細(xì)胞形成下一代來最大化線粒體變異。當(dāng)細(xì)胞分裂形成新的子細(xì)胞時(shí),一些細(xì)胞比其他細(xì)胞接受更多的突變線粒體,然后通過自然選擇去除這些細(xì)胞,保留含有更高質(zhì)量線粒體的生殖細(xì)胞。
在哺乳動(dòng)物中,由于我們較高的代謝率,線粒體中的遺傳錯(cuò)誤會(huì)更快地積累,因此使用經(jīng)歷了大量分裂周期的細(xì)胞將是一種負(fù)擔(dān)。因此,線粒體僅通過大卵形式的專用雌性種系傳遞給下一代。由于雞蛋比其他組織(如腸道,皮膚和血液)中的細(xì)胞經(jīng)歷更少的復(fù)制周期,因此可以防止引入錯(cuò)誤。
種系確保轉(zhuǎn)移最優(yōu)質(zhì)的線粒體,但限制發(fā)育中胚胎中下一代細(xì)胞的遺傳變異。哺乳動(dòng)物會(huì)產(chǎn)生過多的卵細(xì)胞,這些卵細(xì)胞在發(fā)育過程中會(huì)被清除。例如,人類出生時(shí)有超過600萬個(gè)卵前體細(xì)胞,其中90%是在青春期開始時(shí)被稱為閉鎖的神秘過程中剔除的。
資深作者Nick Lane博士(UCL CoMPLEX和Genetics,Evolution&Environment)補(bǔ)充道:“我們認(rèn)為線粒體突變率的上升可能發(fā)生在5.5億年前氧氣水平升高的寒武紀(jì)爆發(fā)中。這是動(dòng)物動(dòng)物首次出現(xiàn)在化石記錄中,像三葉蟲那樣有眼睛和盔甲 - 捕食者和獵物。通過四處移動(dòng),他們更多地使用了線粒體并增加了突變率。因此,為了避免這些突變積累,他們需要更少的細(xì)胞分裂,這意味著要隔離一個(gè)專門的種系。“
共同作者,安德魯·波米安科夫斯基教授(倫敦大學(xué)學(xué)院遺傳學(xué),進(jìn)化與環(huán)境學(xué))得出結(jié)論:“沒有種系,具有復(fù)雜發(fā)育和大腦的動(dòng)物就不可能存在??茖W(xué)家長(zhǎng)期以來試圖用復(fù)雜性來解釋種系的進(jìn)化。我們會(huì)想到它是從線粒體基因的選擇中產(chǎn)生的嗎?我們希望我們的發(fā)現(xiàn)將改變研究人員對(duì)動(dòng)物發(fā)育,繁殖和衰老的理解方式。“
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