粒線體生命之樹：教科書畫的那一顆，可能才是例外

粒線體在每種生物裡都長一樣嗎？哈佛團隊量了六種生物：梨形鞭毛蟲只有 59 個粒線體蛋白，錐蟲有 1,666 個；寄生蟲有 33 類人類沒有的蛋白，但九篇論文沒有測試任何藥。

張宏嘉 Benjamin Chang 皮膚科專科醫師 · VSKIN 院長 · PSKIN 主治醫師

發表於 2026年10月22日 論文導讀

課本上的粒線體，通常畫成一顆腰果形的小東西。外面包一層膜，裡面的膜摺成一道一道皺褶，旁邊寫著五個字：細胞的發電廠。

那張圖，是照著人和酵母畫的。

2026 年 10 月 1 日，哈佛醫學院 Vamsi Mootha 主持的研究聯盟 MitoCarta Tree of Life（粒線體生命之樹，簡稱 MitoTOL），在《Cell》《Molecular Cell》《Current Biology》同一天刊出九篇論文和一篇評論。他們把五種會讓人生病的單細胞寄生蟲、加上一種植物的粒線體拆開來，把裡面的蛋白質一個一個點名。同樣叫粒線體，最小的一份清單只有 59 個蛋白，最大的有 1,666 個。

這篇寫得比較深，名詞和數字都多。如果只想先知道粒線體是什麼、這組研究在說什麼，可以先讀入門版〈粒線體是什麼？細胞裡那位很久以前搬進來的房客〉，讀完再回來。

一份零件清單，為什麼要親手去量

先講蛋白質。細胞裡真正在做事的，多半是蛋白質。它們搬運、拆解，也把小分子接成大分子，像一台台很小的機器。一張「粒線體蛋白清單」，就是這座發電廠裡所有機器的名冊。

粒線體原本是一隻細菌。大約二十億年前，它跟一個與古菌親近的細胞結合，住進了那個細胞裡面。古菌是另一類單細胞生物，跟細菌一樣小，一樣沒有細胞核。

細菌本來有自己的一整套基因，通常做得出幾千種蛋白。住進去之後，它的基因一路被搬到宿主的細胞核，或者乾脆丟掉。今天已知基因最多的粒線體 DNA，也只剩 66 個做蛋白質的基因。人和酵母的粒線體裡，大約百分之九十九的蛋白，是細胞核裡的基因做的：在粒線體外面做好，再送進去。

可以把粒線體想成一座工廠。工廠自己的抽屜裡只剩幾十張藍圖，其餘上千個零件，都是總公司做好、用貨車一車一車送來的。要知道這座工廠到底用了哪些零件，翻總公司的藍圖庫是猜不準的，因為藍圖上不一定寫著「這個要送去粒線體」。光靠電腦讀基因序列去猜，常常猜錯。

所以 MitoTOL 選了最費工的做法。2022 年起，七個實驗室、25 位研究者把這六種生物養起來，把粒線體從細胞裡分離出來，再用質譜儀點名。質譜儀做的事，簡單說是把蛋白質切成小段、量出每一段有多重，再回頭比對它是哪一個蛋白。

人類的這份名冊，Mootha 的團隊 2008 年就做過，叫 MitoCarta，大約 1,100 個蛋白。這一次，是把同一套方法搬到人類以外的生物身上。

59 個與 1,666 個

最少和最多，差了 28 倍。這幾種生物全部的蛋白質總數，只差 7 倍左右。差最多的，是粒線體。

梨形鞭毛蟲那一座工廠，幾乎拆光了。它沒有自己的 DNA，也沒有用氧氣產生能量的那套酵素，論文稱它「粒線體相關胞器」。59 個蛋白裡，27 個是這次才找到的，34 個還不知道在做什麼。目前確定它還在做的一件事，是組裝鐵硫簇：用鐵和硫拼成的小零件，很多酵素要裝上它才能工作。還有一個意外：對付這種蟲的藥 metronidazole，會讓這座小工廠裡的許多蛋白變多。

棘阿米巴走另一個極端，牠的發電設備是六種裡最複雜的。有氧氣的時候用氧氣；缺氧的時候，換成另一條靠氫化酶的路線。研究者把環境裡的氧氣拿掉，從牠身上分離出來的粒線體放出了氫氣。

另一篇論文用冷凍電子顯微鏡看棘阿米巴。這種顯微鏡先把樣本急速冷凍，再用電子束拍出分子的立體形狀。他們看到產能循環裡的一個酵素 MDH，直接卡在 ATP 合成酶（粒線體裡製造能量分子 ATP 的那台馬達）的支架上，像把上一道工序的機台，用螺絲鎖在發電機旁邊。

寄生蟲有、人類沒有的 33 類

把八份清單放在一起（六份新的，加上人和酵母既有的），總共 8,619 個粒線體蛋白，歸成 3,199 個家族。

其中 43% 的家族，連一個已知的蛋白結構域都沒有。結構域是蛋白質上認得出來的功能區塊，像工具上的握把或刀口。找不到，可能代表這是沒人研究過的新東西，也可能只是長得太不像、認不出來的老親戚。論文兩種可能都寫了。

研究者接著篩：至少兩類寄生蟲都有、人類完全沒有的家族。篩出 33 個。

這個邏輯，跟很多抗寄生蟲藥的想法一樣。藥打的是寄生蟲有、人類沒有的東西，比較不會順手傷到人自己。論文也點出現有藥物的弱點：治巴貝西蟲與瘧疾的 atovaquone，打的 cytochrome b，人類身上也有。

名單裡有幾個例子，像第二型 NADH 脫氫酶（NDH2）、第一型延胡索酸酶、ClpYQ 蛋白酶、PLD 型心磷脂合成酶。其中有三個，人類其實有一個「做同一件事」的對應零件，只是形狀完全不同，序列和結構都不像。同一道工序，人類用的是另一把工具；藥如果只認寄生蟲那一把，理論上就不會卡到人類那一把。

還有一個佐證。33 個裡有 17 個，在一種瘧原蟲（Plasmodium knowlesi）身上找得到對應；之前有人把這種瘧原蟲的基因一個一個剔除，看少了哪個就活不下去。這 17 個裡，13 個是必需的，4 個不是。

粒線體，可能是後來才裝上的零件

人、植物、黴菌、阿米巴的細胞都有細胞核，統稱真核細胞。真核細胞怎麼從只有細菌和古菌的世界裡冒出來，是演化生物學最大的謎之一。

一派認為粒線體先來。有了它多出來的能量，細胞才有本錢長出細胞核這些複雜的結構；Lane 與 Martin 2010 年在《Nature》提出的能量論點，屬於這一派。另一派認為細胞先變複雜，粒線體比較晚才加入。

用房子來比：第一種說法是先搬來一台發電機，有了電才開始蓋房子；第二種是房子先蓋好、隔好間、牽好管線，發電機後來才搬進來。

研究者沒有化石可以看。他們看的是每一個從細菌或古菌那裡「借」來的蛋白，在演化樹上留下的枝有多長。可以想成外來語：一個詞借進來越久，被當地口音磨掉的越多；磨得少的，是比較晚才借進來的。

結果是，來自宿主古菌的蛋白比較早到；來自粒線體祖先那隻細菌的蛋白比較晚到。細胞核、骨架、內質網、高基氏體、蛋白酶體，平均都比粒線體早。只有過氧化體（另一種處理脂肪和過氧化物的小胞器）跟粒線體差不多時間。這組結果支持第二種說法。

最早的粒線體，有氧沒氧都能活

最早的真核生物出現的年代，地球剛經過地質學上所謂的「大氧化事件」，環境裡的氧氣濃度一直在變。

研究者往回推，重建了所有真核生物的共同祖先（簡稱 LECA，大約生活在 15 到 20 億年前）的粒線體。推出來大約有 1,438 個蛋白；這個數字的範圍很寬，從 842 到 1,868 都有可能。

這顆祖先粒線體裡，同時有用氧氣的呼吸鏈，也有不用氧氣、改用氫化酶的那一套。大約 15% 的祖先粒線體蛋白家族，跟厭氧的細菌關係比較近。換句話說，最早的真核生物可能是兼性厭氧：有氧氣就用，沒有也撐得下去。

前面那隻棘阿米巴，就是活的樣本。到了今天，牠還保留著這兩套機器，氧氣一拿掉就換檔，放出氫氣。

越古老的零件，壞了越容易生病

這組研究跟人體最近的一段，在這裡。

人類 1,135 個粒線體蛋白裡，有 790 個（約 70%）可以追溯到那顆祖先粒線體。以前的估計只有 14% 到 16%。

已知跟人類粒線體疾病有關的 266 個基因裡，240 個（約 90%）在共同祖先身上就有了，205 個（約 77%）直接來自祖先的粒線體。論文的解讀是：越古老、越基本的零件，壞掉越容易致病。這是統計上的關聯，論文沒有逐一證明因果。

反過來看，很多真核生物都有、共同祖先也有的零件，例如 NDH2、替代氧化酶，人類反而弄丟了。人類也長出一些新的：細胞凋亡、免疫反應這幾條路線，有不少是動物這一支後來才加進粒線體的。主論文的討論寫了一句：教科書的粒線體是以人類為中心畫的，但在某些情況下，人類的粒線體可能才是例外。

如果你是因為「保養粒線體能不能抗老」才點進來，這組論文沒有回答那個問題。那件事，〈細胞裡的金絲雀〉整理過：多數針對粒線體的藥物、補充品和基因療法，都還停在實驗室，沒有一種被證明能延長人的壽命。

哈佛的貼文，寫得比論文寬一點

哈佛醫學院在臉書上介紹這組研究，有幾個地方讀的時候要留意。

貼文說研究涵蓋造成利什曼病的病原。實際量的是 Leishmania tarentolae，寄生在蜥蜴身上，不會讓人生病，是實驗室常用的模式生物；讓人得病的那幾種利什曼原蟲，這次沒有直接量。

貼文也把恰加斯病列進去。恰加斯病的病原是克氏錐蟲（Trypanosoma cruzi），這次量的是布氏錐蟲，造成的是昏睡病。三種病寫在一起，容易讓人以為三種病原都量了。

「超過一半的蛋白功能不明」這句，放在梨形鞭毛蟲身上成立（59 個裡 34 個不明）。整體的數字是 43% 的家族沒有已知結構域，而「沒有結構域」跟「功能不明」也不完全是同一件事。

至於「可能為熱帶病開出新藥」，方向沒錯。讀的時候，讀成「找到可以開始找藥的地方」比較貼近論文。

這組研究走到哪裡

九篇論文用的全部是實驗室培養的細胞、質譜儀、冷凍電顯，和電腦上的演化分析，沒有動物實驗，也沒有人體資料。

它交出來的是一張地圖。資料全部公開在 mitocarta.org，主論文的程式碼也放上網路，主論文、棘阿米巴與利什曼原蟲的論文是開放取用，可以免費讀全文。下一個想找寄生蟲藥的實驗室，可以從這張圖上挑一個點開始。

課本上那顆腰果形的粒線體，畫得沒有錯。它只是很多種粒線體裡的一種，而且在某些地方，可能是比較特別的那一種。

九篇論文的數字、限制、出處，另外整理成一份研讀筆記，想看原始數字的人可以打開：MitoCarta 生命之樹研讀筆記。