性细胞进化为传递优质线粒体

根据新的伦敦大学学院的研究，哺乳动物通过卵子和精子使它们的基因永生化，以确保后代继承优质的线粒体来为身体的细胞提供动力。在此之前，人们不知道为什么哺乳动物依赖于在发育早期形成的专用性细胞(种系)来制造后代，而植物和其他简单动物，如珊瑚和海绵，则使用生命后期产生的性细胞来自正常体组织。

在今天发表于PLOS Biology并由自然环境研究委员会，工程与物理科学研究委员会和Leverhulme Trust资助的一项新研究中，伦敦大学学院的科学家开发了一种进化模型来研究这些差异如何随着时间的推移而演变并发现哺乳动物的种系针对线粒体(细胞的发电站)的选择而发展。

第一作者和伦敦大学学院博士生Arunas Radzvilavicius说：“当植物和其他古代动物没有时，有许多关于为什么哺乳动物有特殊种系的理论。有人认为它是由于组织的复杂性或细胞之间的自私冲突造成的。性细胞和正常身体组织之间的区别似乎是非常复杂的特殊组织如脑的进化所必需的。

“令人惊讶的是，我们发现这些不是原因。相反，它是关于线粒体DNA随时间的基因突变的数量，这在生物体之间是不同的，并且由线粒体在每个细胞中随机分配到子细胞中引起的细胞之间的变异。师。”

在植物中，线粒体突变缓慢蔓延，因此不需要种系，因为突变通过自然选择得到纠正。通过从用于制备正常组织细胞的相同细胞形成下一代来最大化线粒体变异。当细胞分裂形成新的子细胞时，一些细胞比其他细胞接受更多的突变线粒体，然后通过自然选择去除这些细胞，保留含有更高质量线粒体的生殖细胞。

在哺乳动物中，由于我们较高的代谢率，线粒体中的遗传错误会更快地积累，因此使用经历了大量分裂周期的细胞将是一种负担。因此，线粒体仅通过大卵形式的专用雌性种系传递给下一代。由于鸡蛋比其他组织(如肠道，皮肤和血液)中的细胞经历更少的复制周期，因此可以防止引入错误。

种系确保转移最优质的线粒体，但限制发育中胚胎中下一代细胞的遗传变异。哺乳动物会产生过多的卵细胞，这些卵细胞在发育过程中会被清除。例如，人类出生时有超过600万个卵前体细胞，其中90%是在青春期开始时被称为闭锁的神秘过程中剔除的。

资深作者Nick Lane博士(UCL CoMPLEX和Genetics，Evolution&Environment)补充道：“我们认为线粒体突变率的上升可能发生在5.5亿年前氧气水平升高的寒武纪爆发中。这是动物动物首次出现在化石记录中，像三叶虫那样有眼睛和盔甲 - 捕食者和猎物。通过四处移动，他们更多地使用了线粒体并增加了突变率。因此，为了避免这些突变积累，他们需要更少的细胞分裂，这意味着要隔离一个专门的种系。“

共同作者，安德鲁·波米安科夫斯基教授(伦敦大学学院遗传学，进化与环境学)得出结论：“没有种系，具有复杂发育和大脑的动物就不可能存在。科学家长期以来试图用复杂性来解释种系的进化。我们会想到它是从线粒体基因的选择中产生的吗?我们希望我们的发现将改变研究人员对动物发育，繁殖和衰老的理解方式。“

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