超越線粒體：細胞如何獲得那些復雜組件

舒愉棉

于細胞而言，線粒體可不止是 “能量工廠”。

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

一枚細胞進入另一枚細胞并留于其內(nèi)，最終演化為線粒體——一個連小學生都會學習并知曉是“細胞的能量工廠”的結構。這一新結構為其宿主提供了巨大的能量優(yōu)勢，即為后來復雜的多細胞生命演化提供了先決條件。

但這只是故事的一隅。在錯綜復雜的真核細胞內(nèi)，線粒體并不是唯一重要的結構。除了線粒體，真核細胞內(nèi)還存在著與細胞膜相連的基因組安全衛(wèi)士——細胞核，以及完整的、對于細胞內(nèi)及其周圍蛋白質(zhì)和其他物質(zhì)的生產(chǎn)、運輸和回收至關重要的內(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。

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

研究人員曾提出過各種假設，但直到最近，靠著新工具和新技術，細胞生物學家才能夠探究這種復雜結構的緣起，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胞融合的觀點可以追溯到100多年前，但直到20世紀60年代，在已故演化生物學家林恩 · 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)斑疹傷寒的細菌（立克次體）和在植物基因工程擔當重任的細菌（農(nóng)桿菌）。

關于原始宿主細胞的基本特征我們一無所知。有科學家推測，它應該已經(jīng)相當復雜，并且細胞內(nèi)已經(jīng)含有各種膜結構。這樣的細胞可能已經(jīng)具有吞噬和攝取東西的能力——這是一種復雜且耗能的真核細胞特征，被稱為吞噬作用。 也許這就是線粒體最初進入宿主的方式。

但這個在內(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胞如何以及為何能在融合之前就變得如此復雜。

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

與之相對的，科學家解釋道，內(nèi)膜系統(tǒng)，這個如今在內(nèi)容復雜的細胞內(nèi)能找到的所有配件大雜燴可能是在α-變形菌在一個結構相對簡單的宿主細胞（一種古菌類的細胞）內(nèi)安頓下來的不久之后演化形成的。膜結構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，因此認為細菌在被包裹進宿主細胞內(nèi)后還會繼續(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)行如今在真核細胞內(nèi)膜結構所具有的功能，甚至還與宿主細胞膜相融合，這能有助于解釋為什么真核細胞質(zhì)膜還會具備細菌特征的脂質(zhì)。

阿姆斯特丹大學的生物化學家戴夫 · 斯佩耶爾（Dave Speijer）表示，囊泡可能承擔了重要的初始功能。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”的有毒化學物質(zhì)。“這些物質(zhì)會破壞一切，它們是有毒的，尤其在細胞內(nèi)部更甚，”斯佩耶爾說，“將這些物質(zhì)隔絕在囊泡內(nèi)能幫助細胞免受傷害。”

新房客制造的另一個麻煩也可以通過構建膜屏障來加以解決，古爾德等人補充道。在α-變形菌進入宿主細胞內(nèi)后，其DNA片段可能會與宿主古菌的基因組相混合，即插入到宿主細胞重要的基因之中使之中斷。要修復這個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制功能，這樣一來制造蛋白質(zhì)的指令才不會出現(xiàn)亂碼。

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

包圍在細胞核周圍的膜結構為這個麻煩提供了答案。作為區(qū)分空間的屏障，細胞膜允許mRNA在細胞核內(nèi)完成剪接，然后無內(nèi)含子的mRNA在細胞內(nèi)的液體空間（細胞質(zhì)）中進行翻譯。“這是細胞核起源背后的選擇壓力”，馬丁評論道。為了形成這樣的結構，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。但歐洲分子生物學實驗室（EMBL）的細胞生物學家高頓 · 戴伊（Gautam Dey）指出，這一假設并不能完全解釋 α-變形菌最初是如何進入宿主體內(nèi)的，因為假設默認內(nèi)共生體已經(jīng)在宿主細胞內(nèi)部。“這是個大問題。”戴伊說。

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

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

最終，這些突起物會將α-變形菌包圍并完全將其裹入內(nèi)部。但在這最終發(fā)生之前的漫長時間內(nèi)，古菌細胞可能已經(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)構建等功能在突起內(nèi)的細胞質(zhì)中進行。

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，它給了細胞億萬年的時間用以演化出能對終將全然內(nèi)化的線粒體和其他膜室的數(shù)量及大小進行調(diào)控的機制。“如果不能對這些調(diào)控，那就死定了。”鮑姆評價說。

這一理論模型還解釋了為什么細胞核擁有如今這樣的形狀，尤其是對其大得超乎尋常的核孔提供了闡釋。鮑姆說，從古菌細胞的中心內(nèi)部去觀察，這些長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，線粒體最終可能會出現(xiàn)在錯誤的地方——內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)部，而這里是坐落了細胞內(nèi)負責制造蛋白質(zhì)的核糖體的管道網(wǎng)絡。由此就需要有額外的步驟來讓α-變形菌進入到細胞質(zhì)。

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

細胞核： 中央的謎語

盡管這些模型都一致同意，認為線粒體是從α-變形菌演化而來的，但它們對細胞核及其他細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，所有結構的起源都來自演化中的線粒體所釋放的囊泡。含有反應性化學物質(zhì)或細胞貨物的囊泡以及能搬運這些貨物的能力會很早就演化出來了，而細胞核則會遲一點出現(xiàn)。

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

由此，這些模型還會對細胞器膜結構的化學性質(zhì)（至少最初的性質(zhì)）產(chǎn)生不同的預測，以及如今復雜的細胞如何會擁有化學性質(zhì)與細菌而非古菌相似的膜脂。

在古爾德等人的模型中，除了宿主細胞的最外層膜結構，所有的膜結構都會與新房客的膜結構一樣是細菌源性的。此后，隨著細菌源性囊泡與古菌外膜融合，細菌源性脂質(zhì)會逐漸替代古菌源性脂質(zhì)。

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

怎樣檢驗這些想法呢？細胞生物學家通過實驗，開始窺到簡單囊泡分化為肩負不同職責的細胞器的機制真容：分化可以通過呈現(xiàn)不同的形狀，就像現(xiàn)在細胞的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)或者高爾基體層層堆疊的膜結構；或者是通過最終在其內(nèi)部或者其膜結構上留有不同的蛋白質(zhì)。

他們還總結出了現(xiàn)代線粒體動力學要點以及突出了其產(chǎn)生新膜結構的潛力。舉例來說，斯佩耶爾認為早期演化的細胞區(qū)室是為了處理細胞內(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的細胞生物學家海蒂 · 麥克布萊德（Heidi McBride）報告稱，缺乏過氧化物酶體的細胞可以從頭生產(chǎn)出來。通過研究不具有過氧化物酶體的突變?nèi)顺衫w維細胞，她的團隊發(fā)現(xiàn)，這些細胞會將一些蛋白質(zhì)放入線粒體中，這些蛋白質(zhì)對于過氧化物酶體運行其功能不可或缺，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，它們就會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胞器。”麥克布萊德說。

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

線粒體其他奇怪的小動作也已被科學家注意到了。

一開始，猶他大學生物化學家亞當 · 休斯（Adam Hughes）實驗室在2021年發(fā)布的一份報告顯示，他們發(fā)現(xiàn)，當酵母細胞被喂食了達到致毒水平量的氨基酸時，它們的線粒體會脫落載有轉(zhuǎn)運蛋白分子的囊泡。轉(zhuǎn)運蛋白會將氨基酸搬進到囊泡中，讓它們不會毒害線粒體。

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構。 這些結構在細胞中已經(jīng)存在了很長時間。“它們絕對是自身獨有的結構。”休斯說。

后來，加州大學洛杉磯分校的免疫學家雷娜 · 佩爾納斯（ Lena Pernas）在2022 年證實，線粒體衍生出的多層結構也可以在其他環(huán)境中形成。她的團隊發(fā)現(xiàn)，當細胞被寄生蟲弓形蟲感染時，線粒體會包圍寄生蟲并改變形狀。寄生蟲對此做出反應，最終的結果是線粒體會脫落大量外膜。

佩爾納斯曾在《生理學2016年年度綜述》（the Annual Review of Physiology in 2016）中撰寫過關于線粒體重塑的文章，最近她發(fā)現(xiàn)，這些乍看之下如簡單囊泡的結構也可以生長并呈現(xiàn)出更復雜的形狀，如堆疊的片狀層結構。更重要的是，感染應激會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構打開了一扇大門，讓它們能夠有不同于以往的表現(xiàn)，為它們承擔新工作提供了機會。

這些結構本來是在全然不同的細胞內(nèi)和條件下發(fā)現(xiàn)的，然而佩爾納斯和休斯對它們研究得越多，就發(fā)現(xiàn)它們看起來越相似。休斯說，這樣的結構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，演化成當今細胞中存在的這樣的內(nèi)膜區(qū)室結構，光是想象一下都撩人心弦。

我們也許永遠不可能確切地知道很久以前到底發(fā)生了什么，但通過探索當今存世的細菌、古菌和真核細胞中可能發(fā)生的一切，科學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。一枚細胞進入另一枚細胞，帶來了益處，也帶來了問題，這些引發(fā)了復雜的級聯(lián)反應。 此后，正如麥克布萊德說：“所有這些東西終會開花結果。”