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线粒体是真核细胞的细胞器，被认为起源于一种生活在真核细胞内的原核共生体。这一微小的细胞器对细胞和生物体至关重要，因为它是细胞能量的来源。除了作为细胞中生成ATP的关键单元外，线粒体还在细胞信号传导、细胞凋亡和细胞分化等其他重要细胞功能中发挥着关键作用。更重要的是，线粒体动态失调会导致严重的疾病，如神经退行性疾病、心血管疾病、神经代谢性疾病、癌症、肥胖等。
| 术语表 | |
| Dpr1 | Dpr1是一种线粒体外膜分裂所必需的的动力蛋白GTP酶。 |
| Dynamin | 是一种网格蛋白依赖性内吞作用中至关重要的一种GTP酶。 |
| ER | 内质网是细胞内的一种膜系统，参与蛋白质合成、折叠和运输等多种细胞功能。 |
| ETC | 电子传递链，是细胞呼吸过程中一系列蛋白质复合体和小分子组成的链状结构 |
| formins | 一类与肌动蛋白聚合相关的蛋白质，参与蛋白质合成、折叠和运输等多种细胞功能。 |
| IMM | 线粒体内膜，富含许多与能量代谢和细胞呼吸相关的蛋白质复合体。 |
| INF2 | 倒置Formin 2是一种独特的Formin蛋白，它既能聚合又能解聚肌动蛋白丝。INF2突变会导致局灶性和节段性肾小球硬化。INF2可以表达为两种c端剪接变异体：CAAX和非CAAX。 |
| INF2-CAAX | INF2-CAAX亚型与内质网（ER）紧密结合。 |
| Ionomycin | 离子霉素是一种细菌来源的离子载体，用于提高细胞内钙离子（Ca²⁺）水平，也作为解析钙离子在生物膜上的转运机制的工具之一。 |
| KD | 敲低（Knockdown），指通过特定方法（如RNA干扰）降低某种基因或蛋白质的表达水平。 |
| KO | 敲除（Knockout），指通过基因工程技术将某个基因从细胞或生物体中完全去除或使其失去功能。 |
| latrunculin A | Latrunculin A（LatA）是一种肌动蛋白封存分子，能够结合并阻止肌动蛋白聚合，从而影响细胞骨架的动态。 |
| MCU | 线粒体钙单向转运体（Mitochondrial Calcium Uniporter），是线粒体内膜的主要蛋白，负责大部分线粒体钙离子的进入。 |
| MCU-KD | 通过RNA干扰（RNAi）实现MCU的敲低。 |
| mitophagy | 线粒体自噬 通过自噬作用选择性降解线粒体的过程。 |
| OMM | 线粒体外膜（Outer Mitochondrial Membrane）。 |
| Thapsigargin | SERCA ATP酶抑制剂，可促进内质网钙离子泄漏，从而耗尽内质网中的钙。 |
| RNAi | RNA干扰（RNA interference） |
通过电子显微镜拍摄的线粒体图像显示，这种细胞器具有特征性的双层膜结构：与细胞质接触的线粒体外膜（OMM）和向内折叠形成嵴的线粒体内膜（IMM）。近年来，显微镜技术的进步改变了人们对线粒体的认知，从原本认为它们是静态且孤立的结构，转变为动态的细胞器，其形态在细胞内持续变化。
在细胞中，线粒体会根据细胞所处的阶段改变其形态：在细胞分裂期间，线粒体表现为较小的独立单元；而在细胞生长阶段，线粒体会形成高度融合的网络。线粒体动态是高度调控且协调的分裂和融合事件的结果。融合是指两个独立的线粒体相互融合以混合其内容物并成为一个整体的过程；分裂则是线粒体的分裂过程。融合和分裂都是高度动态且受严格调控的过程，其详细的机制和分子参与者直到最近才开始被揭示。毫不奇怪，当融合和分裂失调时，会导致线粒体疾病。因此，对线粒体动态的研究不仅涉及基础生物学的范畴，还扩展到对疾病分子机制的理解。
研究表明，ER在线粒体分裂处错综复杂地分布。它会形成一个管状结构，接触并缠绕在线粒体周围，促进线粒体分裂前的收缩步骤。随后进入分裂机制的组装以及动力蛋白GTP酶Drp1在线粒体外膜（OMM）上的寡聚化，其GTP水解为线粒体分裂提供了收缩力。研究表明，肌动蛋白丝在整个分裂机制中起着关键作用。内质网结合型INF2是一种肌动蛋白聚合因子，其耗竭会影响线粒体-内质网界面的肌动蛋白聚合以及线粒体分裂，导致线粒体拉长。此前，Higgs实验室的研究已经表明，在哺乳动物细胞中，由内质网结合型INF2驱动的肌动蛋白聚合可以促进功能性Drp1在OMM上的招募和寡聚化。然而，线粒体分裂包括内膜（IMM）和OMM的分裂。虽然很多研究已经探讨了OMM在线粒体分裂中的机制，但IMM分裂的作用和机制却鲜有研究。最近，Higgs实验室的Rajarshi Chakrabarti博士及其同事的研究揭示了IMM在线粒体分裂中的信号传导过程。
图 1- 线粒体分裂的简化模型
之前的研究已经表明，细胞质中Ca²⁺的增加会触发肌动蛋白的快速聚合。这种细胞质钙离子的增加可以通过多种刺激因素引起，比如离子霉素和组胺。基于这些背景，作者想探究这种增加的钙离子浓度（无论是细胞质中的还是线粒体中的）在线粒体分裂中的作用。要观察细胞内钙离子浓度的变化，需要一台能够高速且高灵敏度成像的显微镜。作者选择了Andor Dragonfly显微镜，因为它“能够获取高时间分辨率的活细胞成像数据”。
基于Dragonfly超高速成像系统，作者利用钙离子探针得以解析细胞质、内质网和线粒体中钙离子动态变化的时间顺序，以及它们与肌动蛋白丝形成的关系。研究结果表明，在离子霉素或组胺刺激下，钙离子向线粒体基质的转移完全来自内质网钙库。
那线粒体钙离子增加之前的肌动蛋白爆发是否能驱动这种信号传导。为了验证这一假设，作者用鬼笔环肽A（latrunculin A）处理细胞以干扰肌动蛋白聚合，然后用组胺或离子霉素刺激细胞，测量线粒体基质中的钙离子峰值。结果表明，肌动蛋白爆发对于线粒体钙离子进入是必需的：当肌动蛋白聚合被抑制时，线粒体钙离子的进入则被显著抑制。
INF2是一种肌动蛋白聚合蛋白，存在一种ER结合型变体：INF2-CAAX。Higgs实验室此前已证实，INF2-CAAX是线粒体分裂以及分裂前的肌动蛋白爆发所必需的。因此，作者探讨了INF2-CAAX是否也影响线粒体钙离子的快速升高。结果发现，INF2确实对刺激引起的线粒体钙离子快速升高很重要。关键是，它必须结合到内质网上。而且，内质网上的INF2通过聚合肌动蛋白，能让内质网和线粒体更紧密地接触，进而让线粒体里的钙离子在刺激下增加得更多。
图2 - MCU抑制不影响刺激诱导的肌动蛋白爆发，但影响线粒体钙的摄取。基于Andor Dragonfly成像发现，经离子霉素刺激的对照细胞出现肌动蛋白爆发和线粒体钙离子摄取；而MCU耗竭细胞虽有肌动蛋白爆发，但未见线粒体钙离子摄取。
作者观察到，离子霉素会导致线粒体收缩次数增加6.7倍。更重要的是，这些收缩的时机与线粒体钙离子峰值的出现时间相匹配。
由于Drp-1是OMM收缩所必需的蛋白，因此作者对其在离子霉素诱导的收缩中的作用进行了研究。结果表明，这些收缩并非由OMM或Drp-1驱动的。这意味着作者即将发现线粒体分裂过程新机制。
利用MCU敲低（MCU-KD）细胞，作者观察到由离子霉素诱导的线粒体收缩次数的显著减少。那么，线粒体内膜的动态变化是否会导致线粒体收缩呢？答案是肯定的。研究人员进一步发现，功能性电子传递链需要触发线粒体内膜收缩，而内膜收缩是完整线粒体分裂的前提。
图3——线粒体分裂模型4，5，7，8。图片由Chakrabarti博士提供。
总之，借助Andor Dragonfly和Zyla 4.2 sCMOS相机实现的超快速成像和数据采集，这些科学家阐明了线粒体的分裂机制。我们现在了解到，除了Drp-1在促进线粒体外膜收缩和分裂中的作用外，还发现了一个新的机制，该机制促进线粒体内膜的收缩，并且这一过程是由线粒体内的钙信号传导驱动的。
Bibliography
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