顾正龙 | 复旦大学特聘教授 遗传学家

什么是线粒体，为何说它来自古细菌？

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要紧节点，譬如用人来举例，大多数的能量来源都是从线粒体的氧化磷酸化产生。当然，不一样的组织可能比率不同，这是它的重要程度。

除去产生能量，线粒体其实有不少其他方面的功能，譬如各种代谢的场合、细胞死亡的调控中心，目前大伙愈加关注它作为炎症的由来，尤其是线粒体里面东西“漏”出来之后，可以引起好多天然免疫反应，特别在衰老过程中，或者各种疾病之前都有炎症。这个炎症除去跟感染有关系，也有非感染炎症，好多也是线粒体起源的，所以线粒体的重要程度其实除去能量以外，还有不少其他的功能。

线粒体的由来，目前非常公认的假说是大概在20-40亿年前，那时候，地球上氧气最初出现，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借助氧。这个菌刚好碰巧钻到另一种细菌里面，形成共生体，等于它们可以一块用氧，让能量产生机制变得特别高效。

这个事件尤为重要，基本上大家看到的所有真核生物，包含动物、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，除去生命起源，我感觉线粒体共生起源应该是在进化上第二要紧的。

线粒体的结构和功能

线粒体是细胞的能量工厂，是很精致的一种细胞器。

它有两层膜，两层膜内膜上有嵴，包含内膜、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块。你吃进来东西之后，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去。在放的过程当中，转动复合体，等于小马达转一圈就形成三个ATP（三磷酸腺苷）。由于ATP是大家主要的能量供体，也就是能量货币。整个过程就等于一个水力发电机一样，ATP的生成过程像大家水力发电机一样，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，大家都会感觉进化太精妙了，进化出这个机制来，产生大家生物需要的能量。

线粒体异常与什么疾病密切有关？

线粒体异常与疾病的关联其实挺多的。大家把它分成三类：一类叫线粒体疾病，就是刚生下的孩子有线粒体问题的，一大多数是线粒体DNA突变导致的。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，由于线粒体DNA从母亲那边来的，坏的线粒体在母亲那边传到下一代之后没清干净，传到下一代时就会引起孩子子的各种疾病，包含双眼、耳朵、肌肉、神经等，这种大概是1/2000到1/4000，所以每次大家说线粒体跟疾病的关系，好多人都感觉是线粒体疾病，但其实不是的。

除去线粒体疾病，其实不少其他的一些儿童疾病，包含大家的研究，譬如自闭症儿童或其他神经发育的症状疾病，都与线粒体功能出问题有关，这是儿童疾病。然后另外一部分就是衰老和神经退行成人两性疾病，可能大伙关注的比较多，但大家有一个说法，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，它可以作为一个癌症的由来，当然，这是个新的假说也有不少证据，也有不少新的工作需要去做。

线粒体作为能量的由来，除去能量以外，还有不少其他的功能，包含炎症、表观遗传与基因组不稳定性等。可以如此说，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不是是这个疾病是什么原因，如此做非常难。所以我刚刚提到的神经退行成人两性疾病，其实各种疾病都是可以关联上的。

另外一点，就是非常难证明因果关系，但它最起码给你一个可以干涉的点。在疾病治疗当中，是否可以提供些靶点给你做治疗，这个其实对老百姓可能更要紧，生了疾病之后如何治疗，这是一个尤为重要的点。

线粒体异常与神经退行成人两性疾病

线粒体出问题之后，一个非常重要的点就是最早受影响的一般是能量消耗特别大的部位，譬如脑子或肌肉，还有心脏和肾脏等。这类部位虽然占大家体重的比率不高，但能量消耗却非常大。譬如脑子仅占大家体重的2%左右，但消耗的能量却达到20%左右，因此当线粒体出问题，能量提供不足时，不少症状就会从神经退行性方面表现出来。

目前伴随老龄化问题的加剧，神经退行成人两性疾病愈加多，这是现在的近况。整个医学习生物医学范围也投入了很多资源去尝试治疗这种疾病，譬如老年痴呆等。尽管已经花费了几千亿USD来进行这种研究和治疗，但以前关注的点，如淀粉样沉积的去除、用单抗或其他办法，成效并不特别理想。

那样，大家可以探讨一下这个方向是不是正确：有时候神经退行成人两性疾病，包含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，炎症总是是一个要紧环节，而在炎症之前是不是存在线粒体功能出问题的可能性，它们引发炎症，再致使下游的蛋白沉积。

从这个角度出发，大家是不是大概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成人两性疾病，这完全是一个值得研究的方向。据我所知，现在已经有一些临床或研究开始朝这个方向努力了。

因此，线粒体出问题才是不少疾病的根本。它一旦出问题，就会致使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。这个定义主如果针对线粒体疾病的。线粒体疾病，简单来讲，就是因为线粒体DNA突变致使的疾病。当母亲患有线粒体疾病并生下孩子时，这个孩子也大概患有线粒体疾病。有时母亲虽然携带线粒体DNA突变，但自己可能并无症状，而生下的孩子却可能出现症状。

为知道决这个问题，科学家提出了“三亲婴儿”的办法。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突变的健康女人卵细胞，将她的线粒体与该受精卵的细胞核融合在一块。如此新生婴儿的核基因组来自爸爸妈妈双方，而线粒体基因组则来自另一个健康女人，因此被叫做“三亲婴儿”。

2015年左右，英国通过了有关法案允许进行此类操作，但因为伦理问题，该法案并未得到实行。类似的状况也出目前基因编辑范围，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有关法案，几位大夫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”的达成已经相对成熟，不少操作与克隆技术有相似之处，但并不是克隆。

在中国，“三亲婴儿”暂时没办法推行，主要由于伦理问题尚未得到批准。不少人担忧这与基因编辑混淆，从而引发伦理上的担心。然而，对于一些有特定需要的家庭来讲，譬如妈妈携带线粒体DNA突变而没办法生育健康孩子的状况，“三亲婴儿”可能是一个选择。

近期，美国科学家在“三亲婴儿”技术方面获得了新的进展。他们发现，将高龄产妇的卵细胞经过类似“三亲婴儿”的处置后，用健康女人的线粒体DNA，可以显著提升受精卵的成功率。这一发现为高龄产妇的生育问题提供了新的解决方法。现在，这项研究已经在临床上进行，但在中国仍没办法推行。

除此之外，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，睡眠和心理状况也对健康有着要紧影响。非常神奇的是，这类都能影响线粒体的功能。大家与哥伦比亚大学合作的一项研究已经发表，结果显示，当人受惊时，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，这会致使一系列的炎症反应，由于炎症反应与很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很大。目前比较健康的生活方法，如轻断食或激烈运动，都能激起身体的线粒体自噬功能。线粒体自噬可以辨别并清除受损的线粒体，从而降低它们的数目，让健康的线粒体得以复制和增殖，从而提升线粒体的整体水平。

这不禁让大家想起以前姥姥奶奶常说的“迈开腿，管住嘴”，这类其实都是好的生活方法，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干扰大家的睡眠和其他健康情况，包含抑郁等情绪问题，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

出品：中国科协科普部

监制：中国科技出版社公司、北京中科星河文化传媒公司

Tags：科普