超越線粒體：細(xì)胞如何獲得那些復(fù)雜組件

舒愉棉

于細(xì)胞而言，線粒體可不止是 “能量工廠”。

約15億年前，一件影響深遠(yuǎn)的重大事件發(fā)生了：兩個(gè)小小的原始細(xì)胞合二為一。這一融合從根本上改變了我們星球的演化進(jìn)程，其影響程度也許超越了除生命誕生以外的任何事件。

一枚細(xì)胞進(jìn)入另一枚細(xì)胞并留于其內(nèi)，最終演化為線粒體——一個(gè)連小學(xué)生都會(huì)學(xué)習(xí)并知曉是“細(xì)胞的能量工廠”的結(jié)構(gòu)。這一新結(jié)構(gòu)為其宿主提供了巨大的能量?jī)?yōu)勢(shì)，即為后來復(fù)雜的多細(xì)胞生命演化提供了先決條件。

但這只是故事的一隅。在錯(cuò)綜復(fù)雜的真核細(xì)胞內(nèi)，線粒體并不是唯一重要的結(jié)構(gòu)。除了線粒體，真核細(xì)胞內(nèi)還存在著與細(xì)胞膜相連的基因組安全衛(wèi)士——細(xì)胞核，以及完整的、對(duì)于細(xì)胞內(nèi)及其周圍蛋白質(zhì)和其他物質(zhì)的生產(chǎn)、運(yùn)輸和回收至關(guān)重要的內(nèi)膜系統(tǒng)——內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、溶酶體、過氧化物酶體和液泡。

所有這些結(jié)構(gòu)源起何處呢？隨著所發(fā)生的一切遺失在遙遠(yuǎn)的過去，鮮有痕跡留存下來能作為演化的線索，因此，這個(gè)疑問極難解答。

研究人員曾提出過各種假設(shè)，但直到最近，靠著新工具和新技術(shù)，細(xì)胞生物學(xué)家才能夠探究這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的緣起，并揭示其可能的起源。

微生物的融合者

真核生物起源于兩枚細(xì)胞融合的觀點(diǎn)可以追溯到100多年前，但直到20世紀(jì)60年代，在已故演化生物學(xué)家林恩 · 馬古利斯（Lynn Margulis）闡述了她的內(nèi)共生理論后，這一觀點(diǎn)才被人接受并廣為人知。 馬古利斯說，線粒體很可能起源于一類被稱為α-變形桿菌的微生物，這一群體品類繁多，其成員包括引發(fā)斑疹傷寒的細(xì)菌（立克次體）和在植物基因工程擔(dān)當(dāng)重任的細(xì)菌（農(nóng)桿菌）。

關(guān)于原始宿主細(xì)胞的基本特征我們一無所知。有科學(xué)家推測(cè)，它應(yīng)該已經(jīng)相當(dāng)復(fù)雜，并且細(xì)胞內(nèi)已經(jīng)含有各種膜結(jié)構(gòu)。這樣的細(xì)胞可能已經(jīng)具有吞噬和攝取東西的能力——這是一種復(fù)雜且耗能的真核細(xì)胞特征，被稱為吞噬作用。 也許這就是線粒體最初進(jìn)入宿主的方式。

但這個(gè)在內(nèi)共生起源假說中被稱為“晚期線粒體模型”的理論并不能解釋宿主細(xì)胞如何以及為何能在融合之前就變得如此復(fù)雜。

2016年，德國(guó)杜塞爾多夫大學(xué)的演化生物學(xué)家比爾 · 馬丁（Bill Martin）、細(xì)胞生物學(xué)家斯文 · 古爾德（Sven Gould）和生物信息學(xué)家斯里拉姆 · 加格（Sriram Garg）提出了一個(gè)迥異的模型，即大家所知的 “早期線粒體模型”假說。他們認(rèn)為，當(dāng)今沒有任何存世的原始細(xì)胞是具備內(nèi)膜結(jié)構(gòu)的，這樣看來，15 億年前的細(xì)胞似乎也不太可能會(huì)擁有這些結(jié)構(gòu)。

與之相對(duì)的，科學(xué)家解釋道，內(nèi)膜系統(tǒng)，這個(gè)如今在內(nèi)容復(fù)雜的細(xì)胞內(nèi)能找到的所有配件大雜燴可能是在α-變形菌在一個(gè)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的宿主細(xì)胞（一種古菌類的細(xì)胞）內(nèi)安頓下來的不久之后演化形成的。膜結(jié)構(gòu)有可能誕生自線粒體祖先釋放出來的氣泡或者囊泡。

自由生活的細(xì)菌一直出于各種原因，不斷地有囊泡脫落，古爾德等人備注道，因此認(rèn)為細(xì)菌在被包裹進(jìn)宿主細(xì)胞內(nèi)后還會(huì)繼續(xù)這樣做是順理成章的想法。

最終，這些囊泡變得具備專門執(zhí)行如今在真核細(xì)胞內(nèi)膜結(jié)構(gòu)所具有的功能，甚至還與宿主細(xì)胞膜相融合，這能有助于解釋為什么真核細(xì)胞質(zhì)膜還會(huì)具備細(xì)菌特征的脂質(zhì)。

阿姆斯特丹大學(xué)的生物化學(xué)家戴夫 · 斯佩耶爾（Dave Speijer）表示，囊泡可能承擔(dān)了重要的初始功能。新的內(nèi)共生體可能通過氧化并燃燒脂肪酸以獲取能量，并產(chǎn)生大量被稱為“活性氧”的有毒化學(xué)物質(zhì)?！斑@些物質(zhì)會(huì)破壞一切，它們是有毒的，尤其在細(xì)胞內(nèi)部更甚，”斯佩耶爾說，“將這些物質(zhì)隔絕在囊泡內(nèi)能幫助細(xì)胞免受傷害?！?/p>

新房客制造的另一個(gè)麻煩也可以通過構(gòu)建膜屏障來加以解決，古爾德等人補(bǔ)充道。在α-變形菌進(jìn)入宿主細(xì)胞內(nèi)后，其DNA片段可能會(huì)與宿主古菌的基因組相混合，即插入到宿主細(xì)胞重要的基因之中使之中斷。要修復(fù)這個(gè)問題就意味著演化出能夠?qū)⑦@些外來片段（如今這些片段被稱作內(nèi)含子）從信使RNA（mRNA）上拷貝出來的基因副本中剪掉的機(jī)制功能，這樣一來制造蛋白質(zhì)的指令才不會(huì)出現(xiàn)亂碼。

但這又制造出了另一個(gè)麻煩。蛋白質(zhì)合成機(jī)——核糖體——運(yùn)轉(zhuǎn)速度極快，是以秒為單位將多個(gè)氨基酸連接在一起。對(duì)比之下，細(xì)胞的內(nèi)含子清除系統(tǒng)則很慢，是以分鐘為單位摘掉一個(gè)內(nèi)含子。因此，除非細(xì)胞能夠讓mRNA在被正確加工之前都能與核糖體保持距離，否則細(xì)胞就會(huì)生產(chǎn)出許多無意義且無用的蛋白質(zhì)。

包圍在細(xì)胞核周圍的膜結(jié)構(gòu)為這個(gè)麻煩提供了答案。作為區(qū)分空間的屏障，細(xì)胞膜允許mRNA在細(xì)胞核內(nèi)完成剪接，然后無內(nèi)含子的mRNA在細(xì)胞內(nèi)的液體空間（細(xì)胞質(zhì)）中進(jìn)行翻譯。“這是細(xì)胞核起源背后的選擇壓力”，馬丁評(píng)論道。為了形成這樣的結(jié)構(gòu)，內(nèi)共生體分泌的囊泡需要平展開來再包裹住基因組，從而形成能將核糖體隔絕在外又能允許小分子自由通行的屏障。

由內(nèi)向外的解釋

簡(jiǎn)而言之，古爾德等人的早期線粒體模型解釋了內(nèi)膜區(qū)室演化的原因：為了解決新房客帶來的問題。但歐洲分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室（EMBL）的細(xì)胞生物學(xué)家高頓 · 戴伊（Gautam Dey）指出，這一假設(shè)并不能完全解釋 α-變形菌最初是如何進(jìn)入宿主體內(nèi)的，因?yàn)榧僭O(shè)默認(rèn)內(nèi)共生體已經(jīng)在宿主細(xì)胞內(nèi)部?！斑@是個(gè)大問題?！贝饕琳f。

另一種觀點(diǎn)則是“由內(nèi)向外模型”假說，是由曾與戴伊共事過的倫敦大學(xué)學(xué)院細(xì)胞生物學(xué)家巴茲 · 鮑姆（Buzz Baum）及其堂弟、威斯康星大學(xué)演化生物學(xué)家大衛(wèi) · 鮑姆（David Baum）于2014年提出的。在該理論創(chuàng)設(shè)的情境中，α-變形菌和最終注定會(huì)成為其宿主的古菌細(xì)胞互相依賴對(duì)方的代謝產(chǎn)物，以一種親密無間的共生關(guān)系比鄰共存數(shù)百萬年。

古菌細(xì)胞上可能生有長(zhǎng)突起，就像在當(dāng)今存世的、與其他微生物緊密共生的古菌（阿斯加德古菌）細(xì)胞上所觀察到的一樣。α-變形菌會(huì)依偎在這細(xì)長(zhǎng)的外延體之上。

最終，這些突起物會(huì)將α-變形菌包圍并完全將其裹入內(nèi)部。但在這最終發(fā)生之前的漫長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，古菌細(xì)胞可能已經(jīng)開始執(zhí)行某種空間分工：將信息處理工作留在基因組所在的中心區(qū)域，而讓蛋白質(zhì)構(gòu)建等功能在突起內(nèi)的細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行。

鮑姆說，由內(nèi)向外模型的有力之處在于在α-變形菌完全被封閉之前，它給了細(xì)胞億萬年的時(shí)間用以演化出能對(duì)終將全然內(nèi)化的線粒體和其他膜室的數(shù)量及大小進(jìn)行調(diào)控的機(jī)制?！叭绻荒軐?duì)這些調(diào)控，那就死定了。”鮑姆評(píng)價(jià)說。

這一理論模型還解釋了為什么細(xì)胞核擁有如今這樣的形狀，尤其是對(duì)其大得超乎尋常的核孔提供了闡釋。鮑姆說，從古菌細(xì)胞的中心內(nèi)部去觀察，這些長(zhǎng)突起看上去就像是開口，這些開口最終可以自然形成巨大如斯的孔洞。

最重要的是，由內(nèi)向外模型解釋了一開始α-變形菌是如何進(jìn)入古菌宿主內(nèi)部的。

盡管如此，由內(nèi)向外模型仍有需要解釋清楚的地方。舉例來說，由于古菌突起環(huán)繞包圍，線粒體最終可能會(huì)出現(xiàn)在錯(cuò)誤的地方——內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)部，而這里是坐落了細(xì)胞內(nèi)負(fù)責(zé)制造蛋白質(zhì)的核糖體的管道網(wǎng)絡(luò)。由此就需要有額外的步驟來讓?duì)?變形菌進(jìn)入到細(xì)胞質(zhì)。

但馬丁主要反對(duì)的是，由內(nèi)向外模型并沒有提供一種會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞核或者其他膜連接組件需要一開始出現(xiàn)的進(jìn)化壓力。馬丁評(píng)論說，由內(nèi)向外模型“是上下顛倒和前后相反的”。

細(xì)胞核： 中央的謎語

盡管這些模型都一致同意，認(rèn)為線粒體是從α-變形菌演化而來的，但它們對(duì)細(xì)胞核及其他細(xì)胞器的起源卻有著截然不同的看法。

在古爾德等人的早期線粒體模型中，所有結(jié)構(gòu)的起源都來自演化中的線粒體所釋放的囊泡。含有反應(yīng)性化學(xué)物質(zhì)或細(xì)胞貨物的囊泡以及能搬運(yùn)這些貨物的能力會(huì)很早就演化出來了，而細(xì)胞核則會(huì)遲一點(diǎn)出現(xiàn)。

在由內(nèi)向外模型中，細(xì)胞核本質(zhì)上是古菌細(xì)胞用膜包裹在α-變形菌周圍后所形成的剩余結(jié)構(gòu)，所以細(xì)胞核會(huì)立刻出現(xiàn)。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)也可能很早就形成，因?yàn)檫@是由那些被擠壓在一起的突起所形成的。鮑姆說，其他細(xì)胞器是從古菌細(xì)胞膜上的芽結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生，出現(xiàn)的時(shí)間會(huì)更晚。

由此，這些模型還會(huì)對(duì)細(xì)胞器膜結(jié)構(gòu)的化學(xué)性質(zhì)（至少最初的性質(zhì)）產(chǎn)生不同的預(yù)測(cè)，以及如今復(fù)雜的細(xì)胞如何會(huì)擁有化學(xué)性質(zhì)與細(xì)菌而非古菌相似的膜脂。

在古爾德等人的模型中，除了宿主細(xì)胞的最外層膜結(jié)構(gòu)，所有的膜結(jié)構(gòu)都會(huì)與新房客的膜結(jié)構(gòu)一樣是細(xì)菌源性的。此后，隨著細(xì)菌源性囊泡與古菌外膜融合，細(xì)菌源性脂質(zhì)會(huì)逐漸替代古菌源性脂質(zhì)。

在由內(nèi)向外模型中，細(xì)胞核和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（也許還有其他結(jié)構(gòu)）的膜一開始與宿主細(xì)胞相同，是古菌源性的。只是后來在細(xì)菌基因組的基因轉(zhuǎn)移到古菌基因組后，脂質(zhì)本質(zhì)上才會(huì)變成細(xì)菌源性的，鮑姆解釋道。

怎樣檢驗(yàn)這些想法呢？細(xì)胞生物學(xué)家通過實(shí)驗(yàn)，開始窺到簡(jiǎn)單囊泡分化為肩負(fù)不同職責(zé)的細(xì)胞器的機(jī)制真容：分化可以通過呈現(xiàn)不同的形狀，就像現(xiàn)在細(xì)胞的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)或者高爾基體層層堆疊的膜結(jié)構(gòu)；或者是通過最終在其內(nèi)部或者其膜結(jié)構(gòu)上留有不同的蛋白質(zhì)。

他們還總結(jié)出了現(xiàn)代線粒體動(dòng)力學(xué)要點(diǎn)以及突出了其產(chǎn)生新膜結(jié)構(gòu)的潛力。舉例來說，斯佩耶爾認(rèn)為早期演化的細(xì)胞區(qū)室是為了處理細(xì)胞內(nèi)的活性氧物質(zhì)——過氧化物酶體。

2017年，蒙特利爾麥吉爾大學(xué)的細(xì)胞生物學(xué)家海蒂 · 麥克布萊德（Heidi McBride）報(bào)告稱，缺乏過氧化物酶體的細(xì)胞可以從頭生產(chǎn)出來。通過研究不具有過氧化物酶體的突變?nèi)顺衫w維細(xì)胞，她的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，這些細(xì)胞會(huì)將一些蛋白質(zhì)放入線粒體中，這些蛋白質(zhì)對(duì)于過氧化物酶體運(yùn)行其功能不可或缺，隨后線粒體膜將這些蛋白質(zhì)以小氣泡或囊泡的形態(tài)將其釋放出去。

當(dāng)這些囊泡，又稱過氧化物酶原體，與另一種源自內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的囊泡融合時(shí)，它們就會(huì)成熟為真正的過氧化物酶體，后者攜帶著過氧化物酶體必需的第三種蛋白質(zhì)。“這是一種雜交混合細(xì)胞器?！丙溈瞬既R德說。

對(duì)于麥克布萊德而言，這表明過氧化物酶體——可能還有其他細(xì)胞器——最初來自線粒體（而并不像以前大家認(rèn)為的那樣完全來自內(nèi)質(zhì)網(wǎng)）?！熬€粒體的存在啟動(dòng)了新細(xì)胞器的生物發(fā)生，”她說，“就過氧化物酶體而言，這相當(dāng)直接的。”

線粒體其他奇怪的小動(dòng)作也已被科學(xué)家注意到了。

一開始，猶他大學(xué)生物化學(xué)家亞當(dāng) · 休斯（Adam Hughes）實(shí)驗(yàn)室在2021年發(fā)布的一份報(bào)告顯示，他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)酵母細(xì)胞被喂食了達(dá)到致毒水平量的氨基酸時(shí)，它們的線粒體會(huì)脫落載有轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白分子的囊泡。轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白會(huì)將氨基酸搬進(jìn)到囊泡中，讓它們不會(huì)毒害線粒體。

休斯還發(fā)現(xiàn)，線粒體脫落的囊泡可以形成多層長(zhǎng)管狀延伸體，這讓人不禁聯(lián)想到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體的多層堆疊結(jié)構(gòu)。 這些結(jié)構(gòu)在細(xì)胞中已經(jīng)存在了很長(zhǎng)時(shí)間?！八鼈兘^對(duì)是自身獨(dú)有的結(jié)構(gòu)?！毙菟拐f。

后來，加州大學(xué)洛杉磯分校的免疫學(xué)家雷娜 · 佩爾納斯（ Lena Pernas）在2022 年證實(shí)，線粒體衍生出的多層結(jié)構(gòu)也可以在其他環(huán)境中形成。她的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)細(xì)胞被寄生蟲弓形蟲感染時(shí)，線粒體會(huì)包圍寄生蟲并改變形狀。寄生蟲對(duì)此做出反應(yīng)，最終的結(jié)果是線粒體會(huì)脫落大量外膜。

佩爾納斯曾在《生理學(xué)2016年年度綜述》（the Annual Review of Physiology in 2016）中撰寫過關(guān)于線粒體重塑的文章，最近她發(fā)現(xiàn)，這些乍看之下如簡(jiǎn)單囊泡的結(jié)構(gòu)也可以生長(zhǎng)并呈現(xiàn)出更復(fù)雜的形狀，如堆疊的片狀層結(jié)構(gòu)。更重要的是，感染應(yīng)激會(huì)改變這些在脫落的線粒體膜上安置的蛋白質(zhì)類型。佩爾納斯說，這些變化為這些堆疊的層狀結(jié)構(gòu)打開了一扇大門，讓它們能夠有不同于以往的表現(xiàn)，為它們承擔(dān)新工作提供了機(jī)會(huì)。

這些結(jié)構(gòu)本來是在全然不同的細(xì)胞內(nèi)和條件下發(fā)現(xiàn)的，然而佩爾納斯和休斯對(duì)它們研究得越多，就發(fā)現(xiàn)它們看起來越相似。休斯說，這樣的結(jié)構(gòu)是如何在真核生物演化的早期形成的，又是如何能夠經(jīng)過億萬年的自然選擇，演化成當(dāng)今細(xì)胞中存在的這樣的內(nèi)膜區(qū)室結(jié)構(gòu)，光是想象一下都撩人心弦。

我們也許永遠(yuǎn)不可能確切地知道很久以前到底發(fā)生了什么，但通過探索當(dāng)今存世的細(xì)菌、古菌和真核細(xì)胞中可能發(fā)生的一切，科學(xué)家可以更清楚地了解什么是可能的——甚至是極有可能發(fā)生的事情。一枚細(xì)胞進(jìn)入另一枚細(xì)胞，帶來了益處，也帶來了問題，這些引發(fā)了復(fù)雜的級(jí)聯(lián)反應(yīng)。 此后，正如麥克布萊德說：“所有這些東西終會(huì)開花結(jié)果。”