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瑞士洛桑联邦理工学院 (EPFL) 的科学家发现，线粒体形状的简单变化有助于细胞均匀分布其线粒体 DNA，从而解决了长期存在的难题。
线粒体常被描述为细胞的动力工厂，因为它们能够产生能量。为了帮助它们实现这一目标，线粒体携带着自身的小型基因组，称为线粒体DNA（mtDNA）。
每个细胞都含有数百至数千份线粒体DNA（mtDNA）拷贝，它们被包装成簇状，称为核样体。科学家们早已知道，线粒体内的核样体呈规则排列。这种模式确保了mtDNA在细胞分裂时能够传递下去，并且mtDNA上的基因在线粒体中均匀表达。
线粒体和线粒体DNA功能障碍会对细胞乃至整个机体的健康产生深远的影响。它们与代谢性疾病和神经系统疾病（如肝衰竭和脑病）有关，也与衰老和神经退行性疾病（如阿尔茨海默病和帕金森病）有关。
既然已经确定了 mtDNA 对线粒体正常功能的重要性，但一个关键问题仍然没有得到解答：细胞是如何实现核样体如此精确和稳定的间隔的？
“与线粒体融合、分裂或分子束缚相关的机制无法解释这一现象，因为即使核样体受到破坏，核样体间距也能保持，”洛桑联邦理工学院 (EPFL)实验生物物理实验室(LEB) 的教授 Suliana Manley 说。
如今，Manley与LEB的博士后研究员Juan Landoni共同领导了一项研究，揭示了线粒体DNA分布背后的机制：一种此前被低估的现象，称为“线粒体串珠”。这是一种短暂的转变，在此过程中，线粒体呈现出“串珠”状的外观。这有助于分离线粒体DNA簇并重新分配核质体，从而确保线粒体DNA分布的均匀性。
观察线粒体的活动
为了研究这一现象，研究人员结合了多种先进的显微镜技术来观察细胞内的线粒体及其DNA。这些技术包括超分辨率成像、光电联用显微镜以及相衬显微镜等温和成像方法。这些工具的结合使研究团队能够追踪单个核样体，捕捉线粒体形状的快速变化，并解析其潜在的结构组织。
珍珠生产过程中会发生什么
活细胞成像显示，细胞内每分钟可发生数次“珍珠状”结构形成。在这些过程中，线粒体暂时形成一系列等间距的缢缩。值得注意的是，这些“珍珠状”结构之间的间距与核质体之间的典型距离非常接近。大多数“珍珠状”结构中心附近都包含一个核质体，但“珍珠状”结构也可以独立于线粒体DNA（mtDNA）形成。
随着线粒体形成过程的进行，较大的核质体簇通常会分裂成较小的单元，占据相邻的线粒体。线粒体恢复管状形态后，重新分布的核质体可以保持分离状态，从而形成线粒体特有的规则间距。
是什么控制着这个过程
研究人员还发现了珍珠状核形成的关键调控因子。他们运用遗传学和药理学方法发现，钙离子进入线粒体可以触发这一过程。细胞内膜结构有助于维持核质体的分离。当这两种机制中的任何一种受到破坏时，核质体就会聚集形成团块，而不是保持均匀分布。
线粒体动力学中一颗被忽视的明珠
“自从玛格丽特·里德·刘易斯于1915年首次描绘出线粒体珠状排列以来，它一直被认为是一种与细胞应激相关的异常现象，一个多世纪后，它逐渐被人们认识到，这是一种优雅而保守的机制，是线粒体生物学的核心。这种生物物理过程提供了一种简单且节能的方式来分发线粒体基因组。”
这项研究表明，细胞可以利用物理现象以及分子机制。理解这种机制及其调控方式，对于理解线粒体DNA相关疾病的驱动因素具有宝贵的见解，并可能有助于指导未来的治疗策略。
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