小小粒线体功用可不小
粒线体的生理功能
粒线体 (mitochondria)，是人体细胞中极為重要的一个胞器，原因非常的简单，因為人体器官及组织运作必须要有足够的能量参与，此能量為腺苷三磷酸 (adenosine triphosphate, ATP)，主要是由体内的醣类、脂肪酸及胺基酸所转变而成的 (图一)，细胞内大部分的 ATP (约 90%) 皆是由粒线体所产生，所以有著人体的「细胞能量工厂、细胞发电站」的比喻。而粒线体除了有供能的功用之外，还有许多重要的功能，像是参与细胞分化、细胞间讯号传递或细胞凋亡等，并且能够调控细胞生长及週期的能力，由此可见它在体内是非常不可或缺的！
(图一)
粒线体基因
粒线体本身功能强大绝对不是没有原因的，因為这个小小的胞器拥有著自己的环状 DNA (mtDNA)及基因组，与一般人体个体细胞核中遗传讯息 (细胞核DNA, nuclear DNA) 不一样，mtDNA 仅有 16,569 个碱基对，37 个基因，且型态上 nuclear DNA 為线型而 mtDNA 為环状，而且 mtDNA 能自我複製、转錄及转译，并在其消耗氧气产生能量的期间，会产生大量的氧自由基，因此会使 mtDNA 远比 nuclear DNA 遭受更大的氧化压力伤害而产生更高机率的突变型 mtDNA，而这样的突变往往可能造成能量较密集的组织如大脑、心臟等部位的功能损害，严重的疾病包括: (1)由于mtDNA发生大片段的单一基因缺失，所造成色素性视网膜病变的 Kearns-Sayre 氏症候群、(2)由于mtDNA点突变，所造成渐进式神经退化疾病的莱氏症候群 (Leigh's syndrome) 等。所以粒线体的病变是不容忽视的。
年龄是粒线体杀手
有研究显示，粒线体本身的型态以及功能会随著年龄有所改变，如下(图二)所示，可能的影响包括：
(A)增加氧化压力造成的伤害。
(B)会有额外的醣代谢或能量转移。
(C)会减少从粒线体到细胞和的逆向讯号传递。
(D)增加mtDNA的突变机率及基因删减的机率。
(E)粒线体本身动态学的改变。
(F)核中的粒线体本身的生物基因表现减少。
(图二)
粒线体相关人工生殖
从生殖的角度来探讨粒线体，一般来说粒线体的遗传皆是属于母系遗传，原因主要是人类卵子的粒线体有数十万个，而精子只有数百个，所以在受精时，精子与卵子结合為受精卵，此时精子的头部区域会进入卵子，而精子的粒线体位于精子的中段部位，并无法进入卵子当中，侭管有部分父系 mtDNA 进入，会立即被标记并且快速的被蛋白质水解，所以若母亲的 mtDNA 具有致病的突变，此突变极有可能会遗传致后代子女。
粒线体置换 健康基因的希望
粒线体置换疗法 (mitochondrial replacement therapy, MRT) 為一种辅助生殖技术，在 2015 年时，在英国获得批准，英国也成為世界上首个明确合法化此技术的国家。目前批准使用的 MRT 有两种(图三)，第一种為母体纺锤体转移 (maternal spindle transfer)，将来自母亲卵子的纺锤体置于移除纺锤体的捐赠者卵子中，然后再进行受精；第二种為原核转移 (pronuclear transfer)，首先将母亲卵子及受赠者卵子皆受精，在形成 2PN 后将细胞核转移至去核的受赠卵子胚胎当中。
(图三)
在新加坡正在研发使用这种较新的方式称為极体转移 (polar body transfer, PBT) (图四)，将卵细胞中在分裂形成的极体转移至捐赠者的卵子中，此方法较為可行的原因是，极体具有与卵细胞相同的细胞核遗传物质，但只含极少量的粒线体，使得这个方法更安全且容易达成。
(图四)
侭管 mtDNA 相对于 nuclear DNA 只占有人体基因的一小部分，且利用粒线体置换疗法并没有改变任何细胞核的基因，一般来说并不会影响后代的表现特征，但是在置换的过程中后代除了有父母的基因外更携带著捐赠者的 mtDNA，这可能在会让部分学者忧虑是否会带来影响，然而，对于有粒线体基因缺陷的妇女来说，在目前没有更佳的医学解决办法下，或许在未来粒线体置换疗法是能够生下健康基因宝宝的希望！
参考资料
1. Aging: The Mitochondrial Connection J Clin Exp Pathol S4: 003
2. Chial, H. & Craig, J. (2008) mtDNA and mitochondrial diseases. Nature Education 1(1):217.
3. Alternative Technologies to Germline Gene Editing, Catherine Racowsky, PhD, HCLD
