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河南省洛阳市洛阳国家大学科技园
真核生物（如动物、植物和真菌）的DNA储存在两个细胞室中：细胞核和称为线粒体的细胞器，线粒体将营养转化为能量，使细胞发挥功能。细胞核保存着我们的大部分基因，它们被紧密地包裹在46条染色体中，其中一半遗传自母亲的卵子，另一半遗传自父亲的精子。相比之下，线粒体DNA (mtDNA)被认为只来自母亲的卵细胞，没有父亲的贡献。一篇《美国国家科学院院刊》的研究文章，挑战了人类严格母性mtDNA遗传的教条，并提供了令人信服的证据，证明在极少数情况下，父亲可能会将自己的mtDNA遗传给后代。
人类卵子含有10万多份mtDNA，而精子则含有大约100份。早期的假说认为，在受精卵中，父系mtDNA分子的数量相对于母系mtDNA分子的数量有所稀释，但当来自各种生物的证据，如单细胞藻类、衣藻、青鳉鱼等，表明受精后父系mtDNA迅速消失时，这些观点被取代。几十年来，研究人员一直在猜测，为什么健康的生物体只能从单一父母那里获得细胞能量，以及以这种方式遗传的线粒体基因可能带来的进化优势。
健康个体的mtDNA分子基本相同。但在mtDNA突变引起疾病的患者中，正常和突变的mtDNA分子通常共存于单个细胞中，这种情况称为异质性。疾病的严重程度通常与细胞中突变的mtDNA的数量有关，而突变的mtDNA又是由母亲还是胚胎时发生的事件决定的。女性胚胎中发育中的卵子会经历一个mtDNA瓶颈，在这个瓶颈中，mtDNA的拷贝数先是减少，然后被放大到10万多个拷贝。因此，突变体和正常mtDNA的可变数量存在于单个女性的成熟卵子中，因此存在于其后代的细胞中。这一现象影响了mtDNA突变引起疾病的严重程度，可能导致同一家族的个体之间表现出非常不同的现象。
研究发现了三个mtDNA异质性家族，这是无法用母性遗传来解释的。一个被怀疑患有线粒体疾病的小男孩。作者进行了高分辨率的mtDNA测序，但没有发现任何致病的mtDNA突变。然而，他们的分析揭示了异常高水平的mtDNA异质性。有趣的是，在男孩的母亲和他的两个健康的姐妹身上也发现了同样不寻常的mtDNA变异模式。
为了追溯这种神秘的mtDNA模式的起源，研究人员将他们的研究扩展到了上一代。对男孩外公外婆的mtDNA测序有一个意想不到的发现，他不寻常的mtDNA模式似乎是来自祖父母的mtDNA的产物。研究人员接着确定了另外两个具有双亲代线粒体传播的不相关的家族。先前在一个线粒体疾病患者身上观察到类似的情况，该患者具有父母遗传的mtDNA变异。总之，这些报告为人类双亲代线粒体遗传提供了证据。
人类致病的mtDNA突变最初是在1988年报道的，自那时以来已经发现了200多个此类突变，其中大多数发生在异质环境中。此外，母系mtDNA突变的估计频率使其成为研究祖先和进化以及法医鉴定的有用和经常使用的工具。人类mtDNA在考古学中也是一个很有价值的工具，因为它的体积小和圆形结构使它比核DNA更能抵抗降解。
这么长时间和多方面的研究历史，为什么父系mtDNA一直未被发现？研究人员认为，当mtDNA异质性不涉及致病变异时，它在诊断中常常被忽视。虽然这在某种程度上是正确的，但在这个DNA深度测序的时代，这是一个相当不令人满意的解释。然而，这次研究人员的发现应该引起对现有广泛的全球mtDNA测序数据的重新评估，以帮助那些希望进一步发现非典型异质性的人。如果父亲对mtDNA的贡献比以前认识到的更为普遍，那么这可能会改变人类进化的一些估计时间，因为这些时间通常是基于对mtDNA序列变化的预测，而这些预测的前提是母亲的独家遗传。
虽然在研究的一些个体中，mtDNA和异质性的双亲代遗传与疾病症状一致，但作者的数据并未显示与疾病有因果关系。事实上，我们不能确定研究参与者是否患有线粒体疾病，因为目前还没有具体的检查来证实这一诊断。还需要进一步的研究来确定更多潜在的父系mtDNA遗传病例，并确定这种异质性的功能后果。 值得注意的是，这一知识与线粒体捐赠疗法有关。线粒体捐赠疗法旨在防止致病的线粒体DNA传给后代，但也可能产生两种线粒体DNA的个体，一种来自捐赠者，另一种来自母亲。
受精卵或发育中的胚胎中父系mtDNA的含量是否可以被有意提高，以减少突变母系mtDNA的不利影响？这是一个有趣的选择，但仍然远离现实。除了避免消除外，父系mtDNA分子需要比母系分子有相当大的复制优势才能达到有意义的比例。
这次的研究结果是否会影响正在考虑生育的携带致病mtDNA突变个体的咨询？研究人员认为影响不是很大，因为父系线粒体传播在人类中似乎非常罕见。目前，这一发现代表了一个概念的突破，而不是直接影响临床实践。
鉴于我们对哺乳动物体内有丝分裂的了解迅速扩大，这些罕见的父系mtDNA传递的例子可能归因于线粒体的缺陷周转。在研究中，父系mtDNA的遗传模式表明，一个常染色体上的未知基因参与了父系线粒体的清除。观察到父系线粒体DNA遗传的家庭提供了一个令人兴奋的机会来破译调节父系线粒体消除和防止双亲代线粒体转移的信号通路。
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