本文作者是Michael W. Gray，来自达尔豪斯大学（Dalhousie University）生物化学与分子生物学系比较基因组学与进化生物信息学中心。文章发表于2012年Cold Spring Harbor Perspectives in Biology期刊，题为“Mitochondrial Evolution”。这是一篇综述性科学论文，系统回顾了线粒体起源与演化的研究历程，并重点讨论了内共生学说的发展、线粒体基因组与蛋白质组的演化特征，以及线粒体相关细胞器（mitochondrion-related organelles，MROs）的多样性。
作者从1970年Lynn Margulis出版《Origin of Eukaryotic Cells》一书谈起，指出该书重新激活了线粒体和质体起源于自由生活细菌的内共生假说。随着DNA测序技术的发展，线粒体基因组的研究证实了其细菌祖先，并进一步将其起源定位于α-变形菌门（Alphaproteobacteria）内部。文章强调，虽然线粒体的细菌来源已基本成为共识，但其基因组在真核生物不同谱系中经历了截然不同的演化路径，线粒体本身也日益被视为遗传和功能上的嵌合体。
在“线粒体起源的遗传学、基因组学与系统发育学证据”部分，作者回顾了哺乳动物线粒体DNA（mtDNA）首次被完整测序后建立的范式，即mtDNA编码少量呼吸链和ATP合酶亚基以及翻译系统组分。随后在不同非动物物种中发现线粒体基因组在大小、编码能力、组织模式和表达方式上差异极大。例如，疟原虫的线粒体基因组仅约6 kb，只含三个蛋白基因且没有tRNA基因；而陆生植物线粒体基因组可超过200 kb，甚至达到约11,000 kb。作者特别提到，1997年对Jakobid鞭毛虫Reclinomonas americana线粒体基因组的测序揭示了一个“微缩的真细菌基因组”，其含有比任何其他已鉴定线粒体基因组更多的基因，并表现出操纵子样基因簇、类似细菌的rRNA和tRNA二级结构以及Shine–Dalgarno基序等细菌特征。
系统发育分析一致支持线粒体起源于α-变形菌门，并特别指向立克次体目（Rickettsiales）为线粒体的近亲。然而，由于立克次体目和线粒体基因组均具有高序列分化速率和高A+T含量，这一关系是否受到长枝吸引（long-branch attraction，LBA）假象影响仍存争议。近年来通过宏基因组学发现的海洋α-变形菌，如SAR11支系的Candidatus Pelagibacter ubique，以及海洋线粒体亲和支系（oceanic mitochondria affiliated clade，OMAC），使线粒体最近亲缘关系的界定更加复杂。尽管存在这些不确定性，线粒体基因组的单系起源仍得到强烈支持：现有线粒体基因组编码的基因几乎都是R. americana线粒体基因组基因集的子集；此外，植物和许多原始原生生物线粒体DNA中核糖体蛋白基因的排列与细菌操纵子相同，且相同基因缺失模式表明这些缺失在现存线粒体基因组共同祖先中已经存在。
在“线粒体共生如何发生”部分，作者介绍了两种基本模型：古虫动物情景（archezoan scenario）和共生发生情景（symbiogenesis scenario）。前者假设宿主是一种原始无线粒体真核生物，后者则认为α-变形菌被古菌细胞摄取后同时产生了线粒体和真核细胞。早期基于SSU rRNA的系统发育分析曾支持古虫动物假说，将微孢子虫、双滴虫和副基体虫等视为最早期分歧的真核生物且无线粒体。然而更严格的系统发育分析证明这些谱系的早期分歧位置是LBA假象，微孢子虫实际上属于真菌。同时，在所有曾被认定为无线粒体的谱系中，随后均发现了线粒体演化残余结构，即线粒体相关细胞器。这些发现削弱了古虫动物情景，但并未完全排除其可能性。共生发生情景中，氢假说（hydrogen hypothesis）最具代表性，其主张真核生物起源于一种依赖氢气的古菌宿主与能产生氢气的α-变形菌共生体之间的联合。氢假说预测MROs中的厌氧能量代谢基因应呈单系起源于共同祖先，但对真核生物厌氧丙酮酸代谢蛋白的系统发育分布研究并未支持这一预测。Lane和Martin在2010年从基因组复杂性的能量学角度论证，只有线粒体才能满足真核生物大量蛋白质表达所需的细胞能量，因此线粒体的宿主应该是原核生物。总体而言，作者认为共生发生情景比古虫动物情景更能解释现有数据，但后者仍不能完全排除。
文章随后详细讨论了线粒体相关细胞器。氢酶体（hydrogenosome）和线粒体残余体（mitosome）是两种完全缺失mtDNA的MROs。氢酶体保留产生ATP的能力，而线粒体残余体则不能。阴道毛滴虫（Trichomonas vaginalis）的氢酶体最初被认为可能起源于厌氧细菌共生，但后来发现其含有多种典型线粒体蛋白，包括伴侣蛋白、电子传递复合体I的NADH脱氢酶模块以及铁硫簇合成机器组分，表明氢酶体是退化线粒体。线粒体残余体则在多种厌氧寄生原生生物中被发现，包括溶组织内阿米巴、微孢子虫和贾第虫等。这些细胞器保留了非常有限的代谢能力，其中铁硫簇形成尤为突出，提示铁硫簇形成可能是线粒体及其演化衍生物的核心功能。近年来在厌氧纤毛虫Nyctotherus ovalis和厌氧不等鞭毛类Blastocystis等生物中发现的过渡型MROs同时具有氢酶体样产氢能力和残留基因组，但其基因组缺乏编码呼吸复合体III、IV和V的基因，进一步模糊了线粒体与氢酶体、线粒体残余体之间的界限。MROs在真核生物中零散分布且与需氧类群交错出现，强烈提示它们在不同的真核生物谱系中独立起源了多次，其共有特征大多来自趋同演化而非垂直遗传。
在“线粒体蛋白质组的起源与演化”部分，作者指出即使是最富含基因的R. americana线粒体基因组也仅编码27种线粒体蛋白，而疟原虫线粒体基因组只编码3种。绝大多数线粒体蛋白由核基因组编码并在细胞质中合成后输入线粒体。通过内共生基因转移（endosymbiotic gene transfer，EGT），大量原线粒体基因被转移到核基因组中。比较基因组学研究表明，原线粒体的自由生活细菌祖先约含3000–5000个基因，而在从细菌共生体到原线粒体的转变中约丢失了1000–3000个基因。令人意外的是，酵母线粒体蛋白质组中仅有约10%–15%的蛋白可明确追溯至α-变形菌谱系，另有约40%–50%显示一般性原核来源但并非特异来自α-变形菌，约20%–30%为真核生物特有，其余为酵母特有蛋白。这表明线粒体蛋白质组具有多种演化起源和复杂的演化历史。
线粒体复合体的演化重塑是文章的重要主题之一。以复合体I为例，细菌复合体I含14个亚基，哺乳动物复合体I保留这些亚基外还增加了18个“真核生物特有”亚基。近年发现这些亚基大多可能已在真核生物最后共同祖先中存在，且在α-变形菌Paracoccus denitrificans的复合体I中也发现了三种曾被认为是真核生物特有的蛋白。线粒体核糖体同样经历了深度重塑。动质体原生动物如布氏锥虫的线粒体核糖体含56个SSU蛋白和77个LSU蛋白，远多于大肠杆菌核糖体的21个SSU和34个LSU蛋白，这些新增蛋白大多为谱系特异性新发明。
该综述的核心观点是：比较线粒体基因组学揭示了祖先线粒体基因组的基本特征，并强有力地支持线粒体单系起源于α-变形菌内部；比较线粒体蛋白质组学则证明线粒体蛋白质组成呈嵌合式演化起源，仅有少部分蛋白明确源自α-变形菌祖先；线粒体关键复合体通过添加新蛋白组分而发生了广泛的谱系特异性重塑；未来不断增长的基因组学和蛋白质组学数据将持续重塑人们对线粒体演化的认识。文章的价值在于系统梳理了线粒体起源研究从经典内共生假说到现代系统发育基因组学的发展脉络，并对线粒体基因组与蛋白质组的嵌合演化本质提供了深入评述，对理解真核细胞起源和线粒体功能演化具有重要科学意义。