线粒体可能是健康大脑的关键吗？
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我是斜杠青年 ， 一个热爱自然科学的“杂食性”学者！
一些研究人员怀疑 ， 生活在我们细胞中的这些细菌祖先可能会导致广泛的神经和精神疾病 。
早在最早的动物游过古代的冰河时期之前 ， 就发生了生命史上最重要的遭遇之一 。 一种原始细菌被我们最古老的祖先吞没——一个单独的自由浮动细胞 。 两者融合在一起 ， 形成了持续了十亿多年的互利关系 ， 后者提供了一个安全舒适的家 ， 前者成为能量发电厂 ， 推动了维持生命所需的过程 。
这是迄今为止关于细胞成分或细胞器（称为线粒体）如何出现的最佳假设 。 今天 ， 数万亿的这些细菌后代生活在我们体内 ， 产生ATP ， 这是维持我们细胞的分子能量来源 。 尽管线粒体不可分割地融入人体的机制中 ， 但它也携带着细菌和过去的残留物 ， 例如他们自己的DNA集 。
图片来源：科学史图像/阿拉米图库
构成人类基因组的DNA包含在我们细胞核中 。 但线粒体拥有自己的圆形DNA集 ， 这可能是其古代细菌过去的残余 。
这些特征使线粒体既是我们细胞的关键元素 ， 也是潜在的问题来源 。 就像构成人类基因组的细胞核内的DNA一样 ， 线粒体DNA可以存在突变 。 年龄、压力和其他因素可能会扰乱线粒体的许多功能 。 除此之外 ， 线粒体损伤可以释放分子 ， 由于这些分子与细菌的相似 ， 我们的免疫系统可能会被误认为是外来入侵者 ， 从而引发对我们自身细胞的有害炎症反应 。
有一个器官似乎特别容易受到线粒体损伤：我们渴望力量的大脑 。 美国国家神经疾病和中风研究所（NINDS）研究神经退化的博士后研究员Andrew Moehlman表示：“细胞的能量要求越高 ， 线粒体越高 ， 线粒体健康就越重要——因此出错的可能性更大” 。 根据一些估计 ， 每个神经元可以有多达200万个线粒体 。
少数但越来越多的科学家现在将注意力转向线粒体对大脑健康的贡献 。 对人类和实验室动物的研究——尽管其中大部分仍然是初步的——表明 ， 这些细胞器可能是几乎所有类型大脑疾病的关键 ， 包括自闭症等神经发育状况、抑郁症和精神分裂症等精神疾病以及帕金森氏症等神经退行性疾病 。 对于研究大脑疾病的研究人员来说 ， 它们甚至可能是一个持久谜团的核心：遗传倾向和环境影响如何相互作用 ， 使人们面临患这些疾病的风险 。
图片来源：科学史图像/阿拉米图库
除了红细胞外 ， 我们几乎所有的细胞都含有线粒体（通过显微镜显示） 。 一些细胞只有少数——其他细胞 ， 如神经元 ， 可以拥有超过一百万个 。
能量发电厂的问题
20世纪60年代 ， 研究人员发现线粒体拥有一套独特的遗传物质 。 调查显示 ， 线粒体DNA与细菌一样 ， 形成一条圆形链 ， 仅编码37个基因——仅占人类基因组中数万个基因的一小部分 。
不久后 ， 在20世纪70年代 ， 耶鲁大学的一名博士生道格拉斯·华莱士对线粒体DNA产生了兴趣 。 华莱士推断 ， 由于线粒体是身体能量的主要产生者 ， 其DNA的突变会导致疾病 。 华莱士回忆说 ， 直到1988年 ， 他和他的同事才在线粒体DNA突变和人类疾病——莱伯的遗传性视神经病变（一种导致突然失明的疾病）之间建立了第一个联系 ， 医学研究人员才开始认真对待这个问题 。
此后 ， 研究人员将数十种疾病与线粒体DNA和与线粒体功能相关的核DNA的改变联系起来——有趣的是 ， 其中大多数要么是神经性质的 ， 要么对大脑产生一些影响 。 华莱士现在是费城线粒体和表观基因组医学中心儿童医院的主任 ， 他有一个简单的解释：尽管大脑只占人类体重的2% ， 但大脑消耗了大约身体能量的五分之一 。 正如美国大都会停电期间电压水平下降时 ， 高能电器也会受到不成比例的影响一样 ， 即使线粒体功能的微小降低也会对大脑产生很大影响 。
华莱士对线粒体如何导致自闭症谱系障碍特别感兴趣 。 几个研究小组的研究表明 ， 线粒体疾病是由细胞器缺陷引起的多种症状 ， 在自闭症患者中（5%）比普通人群（约0.01%）更普遍 。 另外30%至50%的自闭症儿童表现出线粒体功能障碍的迹象 ， 例如细胞呼吸产生的某些副产品水平异常 ， 这是产生ATP的过程 。
在一些自闭症患者中 ， 科学家确定了线粒体DNA的遗传差异 ， 或者已知影响线粒体功能的人类基因组中大约数千个基因中的一些基因的遗传差异 。 需要做更多的工作来确定这些基因变异是否真的导致或促成了自闭症 ， 但最近一项针对小鼠的研究表明 ， 可能存在联系 。 华莱士及其同事今年在PNAS上报告称 ， 线粒体DNA的特定突变可能导致小鼠自闭症样特征 ， 包括社交互动受损、紧张和强迫行为 。
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