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2016年7月26日

中大教授揭示線粒體DNA只遺傳自母親之謎成果登《科學》期刊

2016年7月26日
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姜秉昊教授利用高解析度電子顯微鏡研究線蟲,揭示精子線粒體的自我分解機制,成果刊於《科學》期刊

姜秉昊教授及其研究團隊

卵母細胞產生自噬作用(紅)吞噬精子線粒體(藍)的三維圖像。圖像乃根據電子顯微鏡數據製成。

秀麗隱桿線蟲(成蟲,身長1mm)及其卵子

電子顯微鏡下在線蟲胚胎裡的線粒體

香港中文大學(中大)生命科學學院副教授姜秉昊教授與美國的研究團隊合作,以跨學科研究方法,成功揭示線粒體DNA(去氧核醣核酸)只能通過母體遺傳背後的重要機制,為此科學謎團帶來嶄新的啟示。新發現同時有助進一步研究與線粒體DNA相關的神經退化疾病及改善人工受孕技術。研究結果最近獲權威學術期刊《科學》發表*。

約於50年前,科學家發現人體DNA不只存在於細胞核內,而同時存在於細胞內的線粒體。線粒體是真核細胞進行氧化代謝的部位,人體吸收的糖類、脂肪和胺基酸最終會在線粒體氧化,為細胞提供能量。線粒體DNA只佔人體總DNA的很小部分,在人體約20,000個基因中,只有37個基因由線粒體DNA編碼而成。在大部分動物中,細胞核DNA遺傳自雙親,線粒體DNA只會遺傳自母親。來自父親的線粒體DNA,為何會在受精卵中消失?它又是怎樣消失?科學界一直未有明確的答案。 

姜秉昊教授與美國科羅拉多大學薛定教授的研究團隊,透過研究秀麗隱桿線蟲(C. elegans)精子內的線粒體,嘗試找出答案。秀麗隱桿線蟲是一種非寄生線蟲,可以獨立生存,身長約1毫米,一般生長於溫帶泥土中。科學家長久以來利用秀麗隱桿線蟲作細胞研究,是生物學研究的一種模式生物(model organism)。科學家已知道,線蟲母親的卵子細胞會產生自噬作用,吞噬精子的線粒體,並將它們分解(degradation)。但姜教授及研究團隊利用高解析度的電子顯微鏡,觀察線蟲細胞內部結構小至納米尺度的三維影像時,發現精子線粒體在母親卵子的自噬作用發生之前,已經出現衰退的跡象。 

姜教授表示:「我們發現精子線粒體有自我分解的機制(self-degradation),如同一種自殺行為。當精子進入卵子時,這個內在機制就會立即啟動。我們更發現當此機制遭到延緩,胚胎的生存率便會降低。此發現有助科學家了解與此機制相關的疾病,以及改善人工授孕的技術。」 

基於以上的發現,研究團隊再進一步尋找促進精子線粒體自我分解的蛋白質,發現於線粒體表面的CPS-6蛋白有切斷DNA分子的功能。此發現在分子層面直接解釋了為何線粒體DNA不能通過父系遺傳:當精子進入卵子時,CPS-6蛋白會移動到精子線粒體上並分解其DNA。研究人員更發現,假如父親的線粒體不被清除,將會傷害發育中的胚胎。 

由於線粒體為細胞代謝提供能量時,非常容易受到損傷,因此它們受到細胞自噬系統的嚴密監察,異常的線粒體會被自噬作用清除。在人體中,如果這個清除功能發生異常,便有可能引致神經退化疾病。深入了解線蟲的父系線粒體DNA的清除過程,將為研究人體細胞的自噬系統提供新方向,甚至可為相關的疾病提供治療方法,包括帕金遜症、腦退化症、一些心臟疾病及失明等。 

姜教授續說:「多學科研究方法對於解答生物學中的難題非常重要。是次研究結合了先進電子顯微鏡成像技術和生物化學技術(搜尋蛋白),缺一不可。是次研究的成功,展現了擁有不同專長技術的實驗室緊密合作的重要性。我在此衷心感謝香港研究資助局的卓越學科領域計劃對中大細胞器生物合成和功能研究中心的支持,讓我們可以運用先進的電子顯微鏡技術於是次研究中。」 

姜秉昊教授簡歷 

姜秉昊教授現任生命科學學院副教授,同時也是中大細胞器生物合成和功能研究中心的成員,研究中心獲香港研究資助局卓越學科領域計劃資助(AoE/M-05/12)。姜教授在首爾大學取得化學學士學位,並在威斯康辛大學麥迪遜分校獲得生物化學博士學位。在加入中大之前,他在佛羅里達大學微生物與細胞生物學系任副教授。 

姜教授是細胞生物學和電子顯微鏡方面的專家。他和研究團隊使用分子生物學技術和高分辨三維電子顯微鏡技術研究動植物細胞器生物合成。他在線蟲細胞凋亡和自噬方面的研究取得了重要的成果,其研究成果在眾多知名國際科學期刊上發表,包括Science, Molecular Cell, Current Biology, Proceedings National Academy Sciences of USA, Plant Cell, and Plant Physiology。 

中大細胞器生物合成和功能研究中心網頁:http://www.cuhk.edu.hk/centre/iCell/ 

* 《科學》雜誌原文: Mitochondrial endonuclease G mediated breakdown of paternal mitochondria upon fertilization. Science http://dx.doi.org/10.1126/science.aaf4777 (2016)



姜秉昊教授利用高解析度電子顯微鏡研究線蟲,揭示精子線粒體的自我分解機制,成果刊於《科學》期刊

姜秉昊教授利用高解析度電子顯微鏡研究線蟲,揭示精子線粒體的自我分解機制,成果刊於《科學》期刊

 

姜秉昊教授及其研究團隊

姜秉昊教授及其研究團隊

 

卵母細胞產生自噬作用(紅)吞噬精子線粒體(藍)的三維圖像。圖像乃根據電子顯微鏡數據製成。

卵母細胞產生自噬作用(紅)吞噬精子線粒體(藍)的三維圖像。圖像乃根據電子顯微鏡數據製成。

 

秀麗隱桿線蟲(成蟲,身長1mm)及其卵子

秀麗隱桿線蟲(成蟲,身長1mm)及其卵子

 

電子顯微鏡下在線蟲胚胎裡的線粒體

電子顯微鏡下在線蟲胚胎裡的線粒體

 

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