Nature Genetics：母亲可以通过线粒体影响后代的身高、寿命和疾病风险

剑桥大学对35万人进行的一项研究表明，线粒体——为我们的细胞提供能量的“电池”——在常见疾病如2型糖尿病和多发性硬化症中发挥着意想不到的作用。

这项研究发表在今天的《自然-遗传学》(Nature Genetics)杂志上，研究发现线粒体DNA的基因变异可能会增加患这些疾病的风险，并影响身高和寿命等特征。

也有证据表明，线粒体DNA的一些变化在苏格兰、威尔士或诺森伯兰遗传祖先中更常见，这意味着线粒体DNA和核DNA(占我们基因组成的99.9%)相互作用。

几乎所有构成人类基因组的DNA——人体的“蓝图”——都包含在细胞核中。在其他功能中，核DNA编码使我们成为个体的特征，以及完成我们身体大部分工作的蛋白质。

我们的细胞也含有线粒体，通常被称为“电池”，它为我们的细胞提供运行所需的能量。它们通过将我们吃的食物转化为ATp来达到这一目的，ATp是一种能够快速释放能量的分子。每一个线粒体都由少量的“线粒体DNA”编码。线粒体DNA只占人类基因组总数的0.1%，而且只从母亲遗传给孩子。

虽然线粒体DNA的错误可能会导致所谓的线粒体疾病，从而导致严重的残疾，但到目前为止，几乎没有证据表明这些变异会影响更常见的疾病。一些小规模的研究已经暗示了这种可能性，但科学家们一直无法复制他们的发现。

现在，剑桥大学(University of Cambridge)的一个研究小组开发了一种新技术，研究取自358000名志愿者样本的线粒体DNA及其与人类疾病和特征的关系。这些样本是英国生物样本库(UK Biobank)的一部分。英国生物样本库是一个大型生物医学数据库和研究资源。

乔安娜·豪森博士进行的工作在公共卫生和初级护理学系剑桥大学说:“使用这种新方法,我们已经能够寻找关联的众多特性,记录了参与者之间的英国生物库,看是否与线粒体DNA。

“除了线粒体疾病，我们通常不会将线粒体DNA变异与常见疾病联系起来。但我们已经表明，我们从母亲那里继承的线粒体DNA会影响一些疾病的风险，如2型糖尿病和多发性硬化，以及一些共同特征。”

在这些被发现受线粒体DNA影响的因素中有:2型糖尿病、多发性硬化症、肝肾功能、血细胞计数参数、寿命和身高。虽然有些影响在患有罕见遗传性线粒体疾病的患者身上表现得更为明显——例如，患有严重疾病的患者往往比平均身高要矮——但在健康个体身上的影响往往要微妙得多，例如，可能只有几毫米的身高差异。

对于线粒体DNA如何发挥其影响，有几种可能的解释。一是线粒体DNA的改变导致我们产生能量的能力发生细微的变化。然而，它可能更复杂，影响我们体内复杂的生物途径——让我们的细胞以协调的方式运作的信号。

来自英国医学研究委员会线粒体生物学小组的patrick Chinnery教授说:“如果你想了解常见疾病的完整情况，那么显然你需要考虑线粒体DNA的影响。对我们DNA研究的最终目的是了解这些疾病背后的机制，并找到治疗它们的新方法。我们的工作可以帮助确定潜在的新药物靶点。”

核DNA既可以遗传给母亲，也可以遗传给父亲，线粒体DNA则不同，线粒体DNA只可以遗传给母亲。这表明这两种系统是独立遗传的，因此个体的细胞核和线粒体DNA之间应该没有联系——然而，这并不是研究小组发现的。

研究人员表明，特定的核遗传背景优先与特定的线粒体遗传背景相关，尤其是在苏格兰、威尔士和诺森比亚。这表明，我们的核基因组和线粒体基因组已经并肩进化，并将继续进化，彼此相互作用。

其中一个原因可能是兼容性的需要。ATp是由线粒体内一组称为呼吸链的蛋白质产生的。呼吸链有100多种成分，其中13种是由线粒体DNA编码的;其余的由核DNA编码。尽管呼吸链中的蛋白质是由两个不同的基因组产生的，但这些蛋白质需要像拼图一样在物理上相互连锁。

如果孩子遗传的线粒体DNA与父亲遗传的核DNA不相容，拼图就不能正确地组合在一起，从而影响呼吸链，进而影响能量生产。这可能会微妙地影响一个人的健康或生理，从进化的角度来看，随着时间的推移，这可能是不利的。相反，匹配会被进化所鼓励，因此变得更加普遍。

这可能意味着线粒体转移疗法的成功——一种新技术使科学家能够用捐赠者的线粒体替换母亲有缺陷的线粒体，从而防止她的孩子患有潜在的危及生命的线粒体疾病。

“看起来我们的线粒体DNA在某种程度上与我们的核DNA是匹配的——换句话说，你不能仅仅与任何捐献者交换线粒体，就像你不能从任何人身上接受输血一样，”Chinnery教授解释说。“幸运的是，纽卡斯尔大学的研究小组已经将这种可能性考虑到治疗方法中，他们率先采用了这种疗法。”

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Yonova-Doing, E et al. An atlas of mitochondrial DNA genotype-phenotype associations in the UK Biobank. Nature Genetics; 17 May 2021; DOI: 10.1038/s41588-021-00868-1