科學家揭示線粒體變身“甜甜圈”規律

　　Cell出版社生物物理學權威雜志《生物物理雜志》（Biophysical Journal）日前在線發表了中科院廣州生物醫藥與健康研究院劉興國研究組的研究成果。該研究針對缺氧/復氧病理條件下線粒體應答的新形態-“甜甜圈（donut）”，首次通過構建3D動態數學模型計算結構轉換中的自由能變化，論證了線粒體“甜甜圈”形成的自發性和“甜甜圈”存在的穩定性。

　　 缺氧/復氧過程廣泛存在于心腦血管、腎病等多種疾病以及人工手術過程中，比如心臟缺血再灌注，在這個過程中，在缺血時組織細胞面臨缺氧和葡萄糖缺乏導致的饑餓，恢復供血后細胞突然大量死亡，造成器官壞死和功能異常。研究組以此病理學為基礎，在前期研究中發現線粒體應答的新形態-“甜甜圈”，這一“甜甜圈”形態的線粒體在環境條件恢復正常時可以迅速恢復膜電勢，恢復正常呼吸功能。然而，缺氧/復氧病理條件下線粒體由正常的線狀或粒狀變為“甜甜圈”的力學機制和能量過程一直不清楚。

　　 該研究精確測量了線粒體的直徑，并統計線粒體“甜甜圈”環結構直徑的數值分布（95%大于0.8微米）。在此基礎上，該研究構建了3D光滑曲面的“幾何線粒體”模型，通過對曲面任意點的積分定量線粒體的3D空間信息，因此這一模型可以模擬線粒體的實時動力學：膨脹/縮小，融合/分裂，彎曲和變身為有尾巴和無尾巴的兩種“甜甜圈”。研究組通過計算線粒體從線狀變身為“甜甜圈”的過程中彎曲能和滲透壓能的變化，構建了這一過程自由能變化模型。結果表明，彎曲能是線粒體變身為“甜甜圈”的主要障礙，而“甜甜圈”直徑小于0.8微米將帶來極大的自由能增加。這一模擬計算的結論與實際觀察的“甜甜圈”環結構直徑的數值分布完全一致。

　　 細胞能量狀態和亞細胞結構轉換一直是外界信號調控的兩大方面。本研究建立了3D動態數學模型，論證了線粒體結構轉換中的能量控制機制，是細胞能量狀態和亞細胞結構轉換之間相互作用的范例。線粒體處于不斷的動態中，這對于細胞的“生老病死”非常重要。該研究針對缺氧/復氧這一重要病理條件下，線粒體應答外界壓力變身為新形態“甜甜圈”，闡明了這一過程發生的自發性和“甜甜圈”存在的穩定性，是線粒體適應性動力學應答的新模式。