人类对自身的认知又要刷新了。近日，由辛辛那提儿童医院黄涛生教授和罗仕玉博士领衔，广西妇幼保健院、贝勒医学院、台大医院和梅奥诊所等研究机构的科学家共同组成的研究团队，在著名期刊《美国国家科学院院刊》（PNAS）发文[1]。他们在三个独立家庭中证实：之前认为只能通过母亲遗传给后代的线粒体DNA，也可以通过父亲传递给后代。对，你没看错，父亲也可以把线粒体DNA遗传给后代。而且，从他们掌握的数据来看，线粒体DNA通过父亲传递给后代的现象在人群中的发生率约为0.02%[2]。可以说也是比较常见了。
这个发现不仅改写了我们对人类遗传学的认知；更重要的是，对于我们理解和治疗线粒体异常导致的疾病有极大的帮助。还有一点值得提及的是，如果这种现象在人类社会广泛存在，那么我们对人类进化和迁徙的认知有可能也会被改写。“这是一个非常具有开创性的发现，”没有参加这项研究的斯坦福大学研究线粒体的专家说[2]，“它可能开辟一个全新的领域，并改变我们寻找某些疾病病因的方式。”
线粒体是人体细胞的一种重要细胞器，不仅因为它是细胞的“能量工厂”，还因为它里面有一份独立于细胞核的DNA，与人类的很多遗传病相关。之前有大量的细胞谱系和种族发育研究结果都非常明确地表明，线粒体只能从母亲传递给后代[3]，是典型的“母系遗传”。线粒体的这种遗传特征，让我们认识到线粒体异常导致的遗传病，只能通过母亲遗传给后代。此外，这个特点还能帮助人类寻找我们共同的祖奶奶。其实为了给精子提供游动的能量，精子里面是有线粒体的。至于线粒体为何以母系遗传的方式传递，目前比较主流的观点是，精子中的线粒体携带更多的变异[4]，对后代发育不利，因此受精后便被破坏、失活，或被稀释得无影无踪了[5，6]。不过，精子的线粒体究竟是如何被破坏掉的，目前还不清楚。总之，大家都认为人类的线粒体都是从妈妈那里获取的。
其实在1983年，Joseph Egger和John Wilson就在《新英格兰医学期刊》上报道过线粒体通过父亲传递给后代的案例[7]。然而，早在1980年斯坦福大学医学院的研究团队（国际著名遗传学家、美国科学院院士Douglas C. Wallace是这个研究的负责人）在PNAS上发文表明，人类线粒体DNA通过母系遗传[8]。当此之时，Wallace团队的“母系遗传论”获得了广泛的认可，以至于Egger和Wilson不敢相信自己的结论，再加上他们也缺乏有效的手段证明他们的发现，于是他们找了些原因就解释过去了[9]。
线粒体DNA可以通过父亲遗传真正引起学界注意是在2002年。Marianne Schwartz和John Vissing在研究一名28岁男性患者的线粒体疾病时，发现导致这名患肌肉疾病的异常线粒体DNA，居然是从他父亲那里获得的[10]。这是科学家首次发现线粒体DNA可以从父亲那里传递给后代。不过遗憾的是，在接下来的16年里，再也没有类似的确切报道。以至于很多遗传学家们都认为，2002年那个发现完全就是个偶然事件。父亲可以把线粒体DNA遗传给后代？正常情况下是不存在的~如果不是因为测序技术的进步，以及黄教授团队的胆大心细，我们可能还认为在人类社会线粒体不存在父系遗传。
事情是这样的。黄教授收治的一名4岁男孩被怀疑有线粒体病。研究人员给患者做了线粒体DNA测序，结果没有发现可能的致病突变。在这种情况下，医生一般会考虑给患者做其他的检查，看看是不是有其他疾病的可能。不过，黄教授团队的研究人员仔细分析了下患者线粒体DNA的异质性。数据让他们大吃一惊，异质性远远大于正常人的水平。研究人员的第一反应是，肯定是哪个环节被污染了。于是他们又小心翼翼的取了一次样，重新做了一次测序。结果一模一样。紧接着，研究人员又把小男孩的姐妹也找来测了序，发现他们姊妹三个都存在同样的异质性差异巨大的现象。根据Wallace教授1980年的研究成果分析，这三姊妹的线粒体特征显然是遗传自他们的母亲。一测序，果然不假，他们的母亲也是这样的情况。到这里，换做别人可能会认为，这家人的线粒体DNA异质性就是这么独特，这不过也是个偶然现象罢了。不过，黄教授团队还是往前又走了一步。他们找来了小男孩的外公外婆。给他的外公外婆也做了个线粒体DNA测序。这回的测序结果让研究人员更吃惊了。数据显示，小男孩妈妈的线粒体DNA有60%是来自于小男孩的外婆，另外的40%来自于小男孩的外公。如此看来，线粒体DNA确确实实可以通过父亲传递给后代~
为了证明线粒体DNA的父系遗传不是偶然现象，研究人员又找到了两个独立家庭，通过类似的测序分析，他们也发现了和第一个家庭一模一样的情况。算上第一个家庭的数据，这三个家庭中，一共有17个人的线粒体DNA来自于双亲。为了保险起见，黄教授团队不仅将这三个家庭的样本送到其他实验室做了验证，而且还用Pacific Bio的单分子测序等技术做了进一步的复盘。所有的结果都是一样。而且，根据他们手头的数据做个简单的分析，他们发现线粒体DNA的父系遗传在人群中的发生率约为0.02%[2]。也就是说，线粒体DNA通过父亲的精子分发给后代确有其事~
总之，研究人员认为，他们的研究结果明确无误的证明，人类的线粒体DNA可以通过双亲传递给后代，改写了当前的线粒体遗传法则，这一发现或将改变人类对自身的认识。不过，这种现象背后的机制目前还不清楚。黄教授团队认为，这可能与细胞核中的父系线粒体清除相关的基因突变有关。如果线粒体DNA父系遗传背后的机制被揭示，线粒体遗传病的诊断和治疗将是另一番景象。
1980年，Douglas C. Wallace等在PNAS上发文证明人类线粒体DNA是严格通过母亲传递给后代，成为大家的共识；38年后，华人科学家黄涛生教授团队在PNAS发文，证实人类线粒体DNA是双亲遗传。遥相呼应。
参考资料：
[1] Biparental Inheritance of Mitochondrial DNA in Humans[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018: 201810946.
[2] https://www.pbs.org/wgbh/nova/article/dads-mitochondrial-dna/
[3] Why Do We Still Have a Maternally Inherited Mitochondrial DNA? Insights from Evolutionary Medicine[J]. Annual Review of Biochemistry, 2007, 76(1): 781-821.
[4] Atypical mitochondrial inheritance patterns in eukaryotes[J]. Genome, 2015, 58(10): 423-431.
[5] Paternal Mitochondrial Destruction after Fertilization Is Mediated by a Common Endocytic and Autophagic Pathway in Drosophila[J]. Developmental Cell, 2014, 29(3): 305-320.
[6] Fate of microinjected sperm components in the mouse oocyte and embryo.[J]. Zygote, 1997, 5(4): 301-308.
[7] Mitochondrial inheritance in a mitochondrially mediated disease.[J]. The New England Journal of Medicine, 1983, 309(3): 142-146.
[8] Maternal inheritance of human mitochondrial DNA[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 1980, 77(11): 6715-6719.
[9] https://www.nejm.org/doi/full/10.1056/NEJM200212193472519?query=recirc_curatedRelated_article
[10] Paternal inheritance of mitochondrial DNA.[J]. The New England Journal of Medicine, 2002, 347(8): 576-580.