線粒體：科研“寵兒”，配享“先鋒”利器

發布時間：2024-12-23 作者：江蘇瑞明生物科技有限公司點擊次數：298次

內容概要：線粒體，一種存在于大多數真核細胞中的由兩層膜包被的細胞器，直徑約0.5~1.0μm，是細胞中制造能量的結構，有氧呼吸的主要場所，是生命科學領域的熱點研究對象。除為細胞供能外，線粒體還參與諸如細胞分化、細胞信息傳遞和細胞凋亡等過程，并擁有調控細胞生長和細胞周期的...

1.線粒體基礎功能與特性

線粒體，一種存在于大多數真核細胞中的由兩層膜包被的細胞器，直徑約0.5~1.0μm，是細胞中制造能量的結構，有氧呼吸的主要場所，是生命科學領域的熱點研究對象。除為細胞供能外，線粒體還參與諸如細胞分化、細胞信息傳遞和細胞凋亡等過程，并擁有調控細胞生長和細胞周期的能力。

線粒體的功能狀態與線粒體膜電位、線粒體膜通道、線粒體Ca2+濃度、ATP生成、呼吸鏈復合體活性、活性氧生成以及DNA突變密切相關。線粒體與其他細胞器的相互作用可以調節細胞的命運和功能（線粒體-內質網接觸調節鈣信號、氧化還原信號、線粒體動力學和質量控制、脂代謝和未折疊蛋白反應；線粒體-溶酶體的接觸調節線粒體和溶酶體的動力學和鈣信號）。

線粒體功能障礙主要表現在線粒體形態結構的改變、ATP合成減少、活性氧物種的過度產生、動力學失衡和mtDNA損傷。其功能失調與人體各個系統的疾病如神經系統疾病、心血管系統疾病、肝臟疾病、腎臟疾病、糖尿病以及DNA損傷反應相關癌癥的發生與發展有著緊密的聯系。

2.線粒體研究思路

[1]線粒體動力學：研究線粒體的運動、融合和分裂等動態過程對細胞功能和健康的影響。

[2]線粒體遺傳學：研究線粒體DNA（mtDNA）的遺傳變異、復制和修復機制，以及mtDNA突變與疾病的關系。

[3]線粒體與疾病直接的關系

?代謝性疾病：研究線粒體在能量代謝中的作用，包括氧化磷酸化、糖酵解等過程及代謝性疾病的發病機制。

?炎癥反應：研究線粒體成分和代謝產物如何作為損傷相關分子模式（DAMPs）誘發炎癥反應，以及線粒體在免疫細胞中的功能。

?細胞衰老：研究線粒體在細胞衰老過程中的作用，包括線粒體功能下降、氧化應激增加及線粒體相關的抗老化策略等。

?神經性疾病：研究線粒體質量控制機制，如線粒體自噬和融合及其與神經退行性疾病的關聯。

[4]線粒體與藥物代謝：研究線粒體在藥物代謝和毒性中的作用，包括藥物對線粒體功能的影響以及線粒體在藥物靶標識別中的作用。

線粒體在細胞間信號傳導中的作用：研究線粒體通過線粒體衍生囊泡（MDVs）等機制在細胞間進行通訊的分子機制。

3.先鋒利器上大分

瑞明生物實時單細胞多功能分析儀基于納米探頭技術，可以實時、連續、定量檢測線粒體Ca2+、線粒體超氧化物、線粒體膜電位、線粒體膜通透性轉換孔（mPTP）、ATP、谷胱甘肽、丙酮酸、乳酸、乳酸脫氫酶、細胞色素C等相關指標的檢測，為線粒體的研究提供單細胞及亞細胞維度上的數據支撐。同時基于該設備的超微量提取注射功能，可實現單細胞線粒體、溶酶體提取，并結合測序、PCR或質譜等技術進行下游分析，獲取更為精準的數據結果。

4.應用案例再讀

案例1.來自四川大學華西二院生殖遺傳實驗室許文明教授團隊與鄧東教授，四川省婦幼保健院劉偉信教授合作在Cellular and Molecular Life Sciences雜志上發表了題為 “Metabolic profiling identifies Qrich2 as a novel glutamine sensor that regulates microtubule glutamylation and mitochondrial function in mouse sperm”的文章，深入探討了QRICH2蛋白在精子發育過程中的作用，尤其是在谷氨酰胺代謝、微管穩定性與線粒體功能中的調控作用。

在本次研究中，作者基于瑞明生物的實時單細胞多功能分析儀，發現敲低QRICH2的細胞中線粒體功能下降，與QRICH2氨基末端純化蛋白或谷氨酰胺共培養后細胞的熒光有提高，說明部分細胞的線粒體功能得到挽救。單細胞代謝分析能夠提供細胞代謝活動更高分辨率的數據，這對于理解細胞內部代謝過程及其調控機制具有重要意義。此外，這種分析方法還可以幫助識別不同細胞之間的代謝差異。

案例2.來自陸軍軍醫大學的史春夢教授團隊，在研究中發現了一種潛在的缺血選擇性藥物，可用于成像和保護心肌缺血再灌注損傷。相關工作發表在知名國際期刊Advanced Science上，標題為“Pharmaceutical Manipulation of Mitochondrial F0F1-ATP Synthase Enables Imaging and Protection of Myocardial Ischemia/Reperfusion Injury Through Stress-induced Selective Enrichment”。這種線粒體靶向小分子化合物IR-780，在心肌缺血再灌注損傷條件下，能在幾分鐘內快速識別缺血損傷的心肌危險區域。再灌注前預處理或及時給予IR-780均能有效減輕缺血和氧化應激誘導的細胞死亡和心力衰竭進而保護心臟功能。通過深入研究IR-780的保護作用機制，發現IR-780可與線粒體OXPHOS電子傳遞鏈的復合物V（又稱F0F1-ATP合酶）結合，快速降低線粒體膜電位，減緩線粒體的能量代謝，進而誘導線粒體進入“靜息狀態”。此外，IR-780還可以通過抑制線粒體鈣超載，來部分抑制mPTP的開放。

本次研究中，作者基于瑞明生物的實時單細胞多功能分析儀，在單細胞水平上實時監測有無IR-780預處理的H9C2細胞給藥后的線粒體Ca2+濃度動態變化，實現了單細胞水平上藥物藥效的直觀且直接的驗證。結果顯示，IR-780預處理的H9C2細胞顯著降低了線粒體zui大Ca2+濃度，并延遲了離子霉素處理后達到峰值的時間。

案例3.來自南京大學的潘榮容和李劼設計了一種新的基于納米電極的移液管結構，其尖端為二苯并環辛烯（DBCO）修飾，可與靶向線粒體膜的含疊氮基三苯基膦（TPP-N3）的快速偶聯。此外，在納米移液器內部的暴露的Pt表面上實現線粒體釋放的活性氧（ROS）的監測，而不受胞質溶膠中存在的其他物質的干擾。相關工作在國際著名期刊Angewandte Chemie International Edition上以“Click-Chemistry-Enabled Nanopipettes for the Capture and Dynamic Analysis of a Single Mitochondrion inside One Living Cell”為題發表。作者使用納米移液管對RSL3誘導的脫鐵性貧血進行進一步研究，為支持谷胱甘肽過氧化物酶4在RSL3誘導ROS生成過程中不參與線粒體提供了直接證據，這在單個線粒體水平上以前從未觀察到。該策略將克服在復雜的細胞內環境中動態測量一種特殊細胞器的現有挑戰，為亞細胞分析中的電分析開辟新的方向。