粒線體如何進行切割：細胞動力室分裂的時間和地點

粒線體要麼分裂成兩半以在細胞內繁殖，要麼切斷其末端以除去受損的物質。 這是洛桑聯邦理工學院生物物理學家在粒線體分裂最新研究中得出的結論。 這與經典教科書對這種眾所周知的細胞器（細胞的動力源）生命週期的解釋有很大的不同。 結果今天發表在自然。

「在這項研究之前，人們對如何決定何時何地進行分裂，」該研究的資深作者、EPFL 生物物理學家 Suliana Manley 說。

大問題：調節粒線體裂變

粒線體裂變對於粒線體增殖非常重要，而粒線體增殖是細胞生長的基礎。 隨著細胞變大並最終分裂，它需要更多的燃料，因此需要更多的粒線體。 但粒線體有自己的 DNA，與細胞的 DNA 分開，因此粒線體有自己的生命週期。 它們只能透過複製 DNA 並分裂自身來增殖。

教科書對粒線體裂變的解釋詳細介紹了將粒線體切割成兩個子粒線體並導致增殖的蛋白質機制。 但科學文獻中越來越多的證據表明，粒線體裂變也是清除受損物質的一種方法。

“對我來說，最大的問題是線粒體如何知道何時增殖或何時降解？細胞如何調節線粒體裂變的這兩種相反的功能？” 該研究的第一作者、EPFL 博士後 Tatjana Kleele 解釋。

經過四年的研究和 2000 個粒線體後，Kleele 和 Manley 發現粒線體的分裂位置根本不是隨機的。

奈米級超解析度顯微鏡

到目前為止，粒線體裂變位點的動態從未被高精度和大量測量過。 但由於他們自己的超解析度顯微鏡 (iSIM)，洛桑聯邦理工學院的生物物理學家能夠在活體中觀察到許多單獨的粒線體。和小鼠心肌細胞，因為它們分裂成較小的部分。

「粒線體的大小正好在光學顯微鏡的衍射極限附近，因此不可能在亞細胞器層級上研究粒線體生理學和形狀變化。使用客製化的超解析度顯微鏡，可以使用兩個-隨著解析度的提高，我們能夠分析大量的粒線體分裂，」曼利解釋。

根據這些觀察，他們既可以高精度量化裂變的位置，也可以藉助螢光生物感測器檢測細胞器小部分功能障礙的跡象。 粒線體內的低 pH 值表明，製造 ATP（細胞能量）所需的質子幫浦不再以最佳狀態工作。 鈣濃度提供了有關粒線體結構的資訊。

他們觀察到兩種類型的粒線體分裂：中區分裂和周邊分裂。 他們發現粒線體的中區分裂具有教科書上所有的分子裂變機制。 相反，週邊分裂與粒線體壓力和功能障礙有關，較小的子粒線體隨後被降解。

接下來，生物物理學家想知道他們是否可以在小鼠心臟細胞中觀察到相同的行為。 他們與 Thierry Pedrazzini (CHUV) 實驗室合作，發現小鼠心肌細胞（心肌細胞）可以獨立調節這兩種類型的裂變，因為它們使用不同的蛋白質和機制。

當科學家刺激心肌細胞與藥物強烈收縮時，他們發現週邊分裂率增加。 換句話說，當心肌細胞受到過度刺激或壓力時，粒線體會產生大量能量，以使心臟細胞快速跳動。 這種能量產生的副產品是自由基，又稱為活性氧，已知會導致細胞內功能障礙，包括粒線體功能障礙。 因此，外圍分裂增加，以消除因壓力而受損的粒線體。

當科學家刺激心肌細胞增殖時，他們確實注意到了更多的中區分裂。

「我們在實驗室觀察到的粒線體裂變行為很可能與所有哺乳動物有關，」克萊爾說。

對曼利來說，粒線體裂變的這種調節是重要的人類疾病，例如神經退化性疾病和心血管功能障礙，這些疾病都與粒線體過度活躍有關。。 「治療方法很少見，因為全球針對有很多副作用。 透過鑑定專門參與生物發生或降解的蛋白質，我們現在可以為藥理學方法提供更精確的靶標，」Manley 總結道。