在人類(lèi)細(xì)胞中，成百上千個(gè)線(xiàn)粒體DNA（mtDNA）以擬核（nucleoids）的形式均勻分布在線(xiàn)粒體網(wǎng)絡(luò)中。線(xiàn)粒體擬核在細(xì)胞中的均勻分布對(duì)維持線(xiàn)粒體DNA的穩(wěn)定以及線(xiàn)粒體正常行使功能至關(guān)重要[1,2]。目前的觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為，線(xiàn)粒體擬核在細(xì)胞中的運(yùn)動(dòng)是受限的，其在線(xiàn)粒體中的均勻分布依賴(lài)于線(xiàn)粒體的融合和分裂過(guò)程[3-6]。然而，細(xì)胞內(nèi)是否存在擬核的主動(dòng)運(yùn)輸過(guò)程，以及這種主動(dòng)運(yùn)輸過(guò)程是如何幫助線(xiàn)粒體擬核實(shí)現(xiàn)均勻分布目前尚無(wú)定論。

近日，北京大學(xué)BIOPIC/生命科學(xué)學(xué)院/膜生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員孫育杰課題組與中國(guó)科學(xué)院生物物理所李棟課題組合作，在Nature Communications雜志上發(fā)表文章“ER-mitochondria contacts promote mtDNA nucleoids active transportation via mitochondrial dynamic tubulation”報(bào)道了線(xiàn)粒體擬核的一種新型分配機(jī)制。

研究人員借助GI-SIM超分辨成像技術(shù)，對(duì)細(xì)胞內(nèi)的線(xiàn)粒體以及線(xiàn)粒體擬核的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行多色、高速、長(zhǎng)時(shí)程的超分辨成像。線(xiàn)粒體動(dòng)態(tài)管化是指馬達(dá)蛋白KIF5B在線(xiàn)粒體本體上沿著微管拖出一條動(dòng)態(tài)細(xì)管[7]。研究人員發(fā)現(xiàn)線(xiàn)粒體擬核可以隨著線(xiàn)粒體動(dòng)態(tài)管化過(guò)程進(jìn)入拖出的細(xì)管并最終定位在管子尖端。研究者發(fā)現(xiàn)線(xiàn)粒體擬核隨著動(dòng)態(tài)管化運(yùn)動(dòng)的過(guò)程并非僅僅是一種搭車(chē)行為，線(xiàn)粒體擬核會(huì)以超過(guò)管子延伸的速度在細(xì)管中做主動(dòng)運(yùn)動(dòng)（圖1）。

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圖1.線(xiàn)粒體動(dòng)態(tài)管化過(guò)程介導(dǎo)擬核的運(yùn)輸

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此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)管化過(guò)程經(jīng)常起始于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與線(xiàn)粒體的互作位置，這也是mtDNA廣泛存在與合成的位置（圖2）。當(dāng)對(duì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、線(xiàn)粒體和線(xiàn)粒體擬核同時(shí)成像，研究人員發(fā)現(xiàn)起始于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與線(xiàn)粒體互作位置的動(dòng)態(tài)管化過(guò)程可以介導(dǎo)線(xiàn)粒體擬核的主動(dòng)運(yùn)輸。

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圖2.線(xiàn)粒體動(dòng)態(tài)管化起始于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與線(xiàn)粒體互作區(qū)域

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研究人員對(duì)上述線(xiàn)粒體擬核的主動(dòng)運(yùn)輸過(guò)程的分子機(jī)制進(jìn)行了探究。研究人員用超分辨成像以及免疫共沉淀的方法，證明了線(xiàn)粒體內(nèi)膜上的Mic60蛋白可以分別和線(xiàn)粒體基質(zhì)中的擬核以及線(xiàn)粒體的外膜蛋白Miro1相互作用。Miro1同時(shí)也是KIF5B在線(xiàn)粒體上的受體蛋白，并且富集在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與線(xiàn)粒體的互作位置。此外，敲低Mic60會(huì)導(dǎo)致Miro1蛋白量的降低、擬核的聚集、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與線(xiàn)粒體互作位置的穩(wěn)定性降低。這些證據(jù)表明，位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與線(xiàn)粒體互作位置的線(xiàn)粒體擬核可以通過(guò)Mic60-Miro1蛋白間接地與KIF5B蛋白相互作用，從而隨著KIF5B介導(dǎo)的動(dòng)態(tài)管化過(guò)程進(jìn)行主動(dòng)運(yùn)動(dòng)（圖3）。研究者發(fā)現(xiàn)，由線(xiàn)粒體動(dòng)態(tài)管化介導(dǎo)的擬核運(yùn)輸對(duì)擬核在線(xiàn)粒體外圍網(wǎng)絡(luò)中的分布非常重要。研究者通過(guò)敲低Mic60蛋白來(lái)阻斷線(xiàn)粒體擬核與KIF5B的連接，發(fā)現(xiàn)線(xiàn)粒體擬核集中分布在細(xì)胞核周?chē)木€(xiàn)粒體中，而細(xì)胞外圍線(xiàn)粒體網(wǎng)絡(luò)中很少有線(xiàn)粒體擬核。

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圖3.線(xiàn)粒體動(dòng)態(tài)管化介導(dǎo)擬核運(yùn)輸?shù)姆肿訖C(jī)制模型

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綜合以上結(jié)果，文章提出線(xiàn)粒體擬核可以通過(guò)起始于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與線(xiàn)粒體互作位置的動(dòng)態(tài)管化進(jìn)行運(yùn)輸，并對(duì)其分子機(jī)制進(jìn)行了探究。該模型對(duì)解釋線(xiàn)粒體擬核在線(xiàn)粒體網(wǎng)絡(luò)的分布提供了新的視角，對(duì)研究線(xiàn)粒體擬核在相關(guān)疾病以及衰老中的功能具有重要意義。

北京大學(xué)BIOPIC/生命科學(xué)學(xué)院的秦金珊博士為文章第一作者，孫育杰、李棟為本文的共同通訊作者。中科院生物物理所郭玉婷博士，北京大學(xué)薛博鑫博士、博士生石鵬、陳揚(yáng)副研究員、蒿慧文博士、趙淑娟博士、吳聰穎研究員，悉尼科技大學(xué)蘇乾博士，清華大學(xué)俞立教授對(duì)本文作出了重要貢獻(xiàn)。

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來(lái)源： 北京大學(xué)生物醫(yī)學(xué)前沿創(chuàng)新中心