顾正龙 | 复旦大学特聘教授 遗传学家

什么是线粒体，它来自古细菌吗？

线粒体是细胞的一个细胞器。线粒体比较特别，它是产生能量的一个重要节点，譬如用人来举例，大部分的能量来源都是从线粒体的氧化磷酸化产生。当然，不同的组织可能比例不一样，这是它的重要性。

除了产生能量，线粒体其实有很多其他方面的功能，比如各种代谢的场所、细胞死亡的调控中心，现在大家越来越关注它作为炎症的起源，特别是线粒体里面东西“漏”出来之后，能够引起好多天然免疫反应，尤其在衰老过程中，或者各种疾病之前都有炎症。这个炎症除了跟感染有关系，也有非感染炎症，好多也是线粒体起源的，所以线粒体的重要性其实除了能量之外，还有很多其他的功能。

线粒体的起源，现在很公认的假说是大概在20-40亿年前，那时候，地球上氧气刚开始出现，氧气对好多那时候的细菌都是有毒的，但有一种喜氧细菌可以利用氧。这个菌刚好碰巧钻到另一种细菌里面，形成共生体，相当于它们可以一起用氧，让能量产生机制变得非常高效。

这个事件非常重要，基本上我们看到的所有真核生物，包括动物、植物、真菌，都是这个事件的后代。它形成共生体之后，慢慢进化出各种真核生物，所以这个事件，除了生命起源，我觉得线粒体共生起源应该是在进化上第二重要的。

线粒体的结构和功能

线粒体是细胞的能量工厂，是非常精致的一种细胞器。

它有两层膜，两层膜内膜上有嵴，包括内膜、嵴，挂着一个复合体，就是传递电子的复合体，叫Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ复合体，然后它们互相结合在一起。你吃进去东西之后，产生NADH，它是一个电子共体。然后这个电子在复合体Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ上慢慢移动，就像根电线一样，但是它的电子传递比较慢，在传递过程当中，把新的质子从内膜泵到外边，像小泵一样泵到外边。电子传到Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ复合体之后，在内膜的内外形成电位差，也就是新的质子电位差，内膜的外面比较高，里面比较低，新的质子电位差就有了能量的驱动，把新质子从线粒体复合体那边放进来。在放的过程当中，转动复合体，相当于小马达转一圈就形成三个ATP（三磷酸腺苷）。因为ATP是我们主要的能量供体，也就是能量货币。整个过程就相当于一个水力发电机一样，ATP的生成过程像我们水力发电机一样，把两边的水位差搞得特别大，水流下来之后，转动马达，于是就产生了电。

每次看到这个，我们都会觉得进化太精妙了，进化出这个机制来，产生我们生物需要的能量。

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线粒体异常与哪些疾病密切相关？

线粒体异常与疾病的关联其实挺多的。我们把它分成三类：一类叫线粒体疾病，就是刚生下的小孩有线粒体问题的，一大部分是线粒体DNA突变造成的。这个线粒体DNA与线粒体功能起源有点关系，就是它是唯一有自己DNA遗传物质的细胞器，因为线粒体DNA从妈妈那边来的，坏的线粒体在妈妈那边传到下一代之后没有清干净，传到下一代时就会引起小孩子的各种疾病，包括眼睛、耳朵、肌肉、神经等，这种大概是1/2000到1/4000，所以每次我们说线粒体跟疾病的关系，好多人都觉得是线粒体疾病，但其实不是的。

除了线粒体疾病，其实很多其他的一些儿童疾病，包括我们的研究，譬如自闭症或其他神经发育的症状疾病，都与线粒体功能出问题相关，这是儿童疾病。然后另外一部分就是衰老和神经退行性疾病，可能大家关注的比较多，但是我们有一个说法，就是线粒体出问题或者线粒体DNA的突变引起线粒体出问题之后，它能够作为一个癌症的起源，当然，这是个新的假说也有很多证据，也有很多新的工作需要去做。

线粒体作为能量的起源，除了能量之外，还有很多其他的功能，包括炎症、表观遗传以及基因组不稳定性等。可以这样说，各种疾病与线粒体的关系都是蛮紧密的。从医学上说，要完全证明线粒体出问题是否是这个疾病的原因，这样做很难。所以我刚才提到的神经退行性疾病，其实各种疾病都是可以关联上的。

另外一点，就是很难证明因果关系，但它最起码给你一个可以干预的点。在疾病治疗当中，是不是能够提供些靶点给你做治疗，这个其实对老百姓可能更重要，生了疾病之后怎么治疗，这是一个非常重要的点。

线粒体异常与神经退行性疾病

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线粒体出问题之后，一个很重要的点就是最先受影响的通常是能量消耗特别大的部位，比如脑子或肌肉，还有心脏和肾脏等。这些部位虽然占我们体重的比例不高，但能量消耗却很大。比如脑子仅占我们体重的2%左右，但消耗的能量却达到20%左右，因此当线粒体出问题，能量供应不足时，很多症状就会从神经退行性方面表现出来。

现在随着老龄化问题的加剧，神经退行性疾病越来越多，这是目前的现状。整个医学生物医学领域也投入了大量资源去尝试治疗这类疾病，比如老年痴呆等。尽管已经花费了几千亿美元来进行这类研究和治疗，但以前关注的点，如淀粉样沉积的去除、使用单抗或其他方法，效果并不特别理想。

那么，我们可以探讨一下这个方向是否正确：很多时候神经退行性疾病，包括AD（阿尔茨海默病）、PD（帕金森病）、HD（亨廷顿病）等，它们在发病过程中，炎症往往是一个重要环节，而在炎症之前是否存在线粒体功能出问题的可能性，它们引发炎症，再导致下游的蛋白沉积。

从这个角度出发，我们是否有可能通过保护线粒体或清除坏的线粒体来预防或治疗神经退行性疾病，这完全是一个值得研究的方向。据我所知，目前已经有一些临床或研究开始朝这个方向努力了。

因此，线粒体出问题才是很多疾病的根本。它一旦出问题，就会导致能量产生障碍或引发炎症，进而引起下游的淀粉样沉积等病理变化，这个通路在逻辑上是站得住脚的。

线粒体置换与“三亲婴儿”技术

“三亲婴儿”特别有意思。这个概念主要是针对线粒体疾病的。线粒体疾病，简单来说，就是由于线粒体DNA突变导致的疾病。当妈妈患有线粒体疾病并生下小孩时，这个小孩也有可能患有线粒体疾病。有时妈妈虽然携带线粒体DNA突变，但自己可能并无症状，而生下的小孩却可能出现症状。

为了解决这个问题，科学家提出了“三亲婴儿”的方法。具体操作是，在受精卵形成后，将卵细胞的细胞核取出，然后找一个线粒体没有突变的健康女性卵细胞，将她的线粒体与该受精卵的细胞核融合在一起。这样新生婴儿的核基因组来自父母双方，而线粒体基因组则来自另一个健康女性，因此被称为“三亲婴儿”。

2015年左右，英国通过了相关法案允许进行此类操作，但由于伦理问题，该法案并未得到执行。类似的情况也出现在基因编辑领域，两者虽不完全一致，但都引发了广泛的伦理争议。

全球第一个“三亲婴儿”是在2016年在美国诞生的，尽管当时美国并未批准相关法案，几位医生还是前往墨西哥完成了这一操作。这表明，在技术上“三亲婴儿”的实现已经相对成熟，很多操作与克隆技术有相似之处，但并非克隆。

在中国，“三亲婴儿”暂时无法实施，主要因为伦理问题尚未得到批准。很多人担心这与基因编辑混淆，从而引发伦理上的担忧。然而，对于一些有特定需求的家庭来说，比如母亲携带线粒体DNA突变而无法生育健康孩子的情况，“三亲婴儿”可能是一个选择。

最近，美国科学家在“三亲婴儿”技术方面取得了新的进展。他们发现，将高龄产妇的卵细胞经过类似“三亲婴儿”的处理后，使用健康女性的线粒体DNA，可以显著提高受精卵的成功率。这一发现为高龄产妇的生育问题提供了新的解决方案。目前，这项研究已经在临床上进行，但在中国仍无法实施。

此外，希腊也已经开始进行类似的研究，针对高龄产妇的卵细胞进行“三亲婴儿”操作，并计划进行更大规模的临床试验。

饮食、运动能否促进线粒体功能？

不光饮食和运动，睡眠和心理状态也对健康有着重要影响。很神奇的是，这些都能影响线粒体的功能。我们与哥伦比亚大学合作的一项研究已经发表，结果显示，当人受到惊吓时，血浆中游离的核基因组变化不大，但游离的线粒体DNA浓度却会显著增加，这会导致一系列的炎症反应，因为炎症反应与许多应激反应是相互关联的。

同样，睡眠、运动和饮食对身体功能的影响也非常大。现在比较健康的生活方式，如轻断食或激烈运动，都能激发身体的线粒体自噬功能。线粒体自噬能够识别并清除受损的线粒体，从而减少它们的数量，让健康的线粒体得以复制和增殖，从而提高线粒体的整体质量。

这不禁让我们想起以前外婆奶奶常说的“迈开腿，管住嘴”，这些其实都是好的生活方式，它们在身体层面都有相应的机制支持。当然，反过来讲，线粒体功能的变化也会影响我们的睡眠和其他健康状况，包括抑郁等情绪问题，所以这是一个相互影响的过程。

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

团队/作者：深究科学

审核：梁前进 北京师范大学生命科学学院 教授

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

来源: 深究科学