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细胞分裂过程中线粒体混合

细胞分裂过程中线粒体混合


称为线粒体的细胞器在细胞中起着至关重要的作用,并且在分裂时必须成功地继承。事实证明,在细胞分裂过程中,与肌动蛋白丝的相互作用与混合和分配线粒体的三种类型有关。

蒂尔·克莱克Till Klecker)本尼迪克特·韦斯特曼


1855年,德国医生Rudolf Virchow创造了短语Omnis cellula e cellula-所有细胞都来自细胞。换句话说,细胞源于现有细胞的生长和分裂。染色体中存储的遗传信息在细胞分裂过程中以高度有序的过程(称为有丝分裂)传递给下一代。生物学家花费了数十年的时间来破译这种引人入胜的过程的分子编排,但是对称为线粒体的细胞器遗传的关注却很少。这些对于能量代谢是必不可少的,并且由于它们不能从头产生,因此它们也必须被继承。Moore等人在《自然》中写作1个 以前所未有的详细程度描述此过程。

细胞骨架(决定细胞结构的蛋白质网络)的两个主要成分负责细胞动力学。这些是微管,其结构可作为细胞器长距离运输的轨道。肌动蛋白丝和肌动蛋白丝,它们在短距离内介导运输,并在称为皮质的区域内使细胞外边界处的形状发生变化。在细胞分裂过程中,细胞骨架被彻底地重塑。微管建立了一种称为有丝分裂纺锤体的结构,该结构需要在细胞分裂时对染色体进行分区,随后,肌动蛋白丝会组装一个收缩环,从而促进细胞分离。

细胞器在有丝分裂期间也被广泛地重塑。线粒体经常在人类细胞中的形式延伸连接的网络,并且这些线粒体片段到该细胞分裂过程中失去其与微管连接许多小的实体23。长期以来人们一直认为,随着细胞分裂,线粒体的分裂在很大程度上是一个消极的过程,但是这种观点目前正在改变。

大约十年前,研究人员报道了在人细胞中发现肌动蛋白细胞骨架的行为异常4。发现一簇肌动蛋白丝出现在有丝分裂的早期,然后以恒定的角速度在细胞质中循环旋转-带有荧光丝的细胞的延时电影显示出盘旋波(图1),看起来像雷达显示器。4。尽管在视觉上极为醒目,但这种奇怪现象的功能仍然是个谜。摩尔。现在说明这个谜。使用最先进的光学显微镜技术,作者报告了这些肌动蛋白波在人类细胞有丝分裂过程中在线粒体分配中起作用的证据。像染色体分区一样,线粒体遗传依赖于由细胞骨架精心安排的动态过程,但事实证明,这些分区事件的发生方式完全不同。

线粒体细胞器在细胞分裂过程中如何分布.png

 

1 | 线粒体细胞器在细胞分裂过程中如何分布。Moore1报告了与蛋白质肌动蛋白丝的三种相互作用,当人类细胞分裂时,这些相互作用有助于线粒体的分布。使用最先进的显微镜,作者观察到线粒体可以束缚在电缆结构上。据报道4以前,分裂细胞中的一些肌动蛋白细丝会形成波,这些波围绕细胞旋转(黑色箭头),其方式让人想起雷达显示器。在这些浪潮中,作者观察到肌动蛋白和线粒体之间的两种相互作用。线粒体经常被包裹在看起来像是肌动蛋白丝的云团中,从而限制了细胞器的活动性。波浪中的某些线粒体具有由肌动蛋白丝制成的彗尾状结构,这些细胞器在随机方向上快速移动(红色箭头)。作者追踪了使用实验技术受损的标记线粒体的命运。肌动蛋白介导的活动有助于在细胞分裂过程中在两个子细胞之间混合和分裂线粒体,从而导致受损细胞器的均匀分布。


摩尔和同事对肌动蛋白彗星尾巴的观察特别令人兴奋。二十年前,有人提出肌动蛋白的聚合反应可驱动酵母细胞6中的线粒体运动。然而,该模型存在争议,因为酵母分裂时线粒体向芽中的运输是由肌动蛋白沿着肌动蛋白电缆7的“行走”介导的,介导了肌动蛋白的线粒体彗尾,而酵母中没有记载。尽管如此,依赖肌动蛋白动力学的运动在动物细胞中还是很普遍的。这些过程有助于囊泡的内在化,并且肌动蛋白被某些入侵的微生物劫持,以使它们能够在宿主细胞的细胞质中移动。

作者展示了从线粒体前部延伸到细胞器后部的双肌动蛋白尾巴的惊人图像,类似于双引擎飞机在天空中留下的凝结尾迹。摩尔和同事观察到的彗尾通常略微扭曲,并且非常类似于由立克次体属的某些细菌所感染的肌动蛋白的彗尾,这些细菌感染细胞并引起疾病8

这些肌动蛋白动力学在线粒体遗传中的功能可能是什么?线粒体含有自己的基因组,该基因组编码通过称为呼吸链(也称为电子传输链)的途径产生能量所需的必需蛋白质。如果线粒体中积累了编码此类成分的DNA突变,那么细胞的能量生产将受到损害。此外,如果细胞从其母细胞继承了突变DNA的线粒体高负荷,则随后的每次细胞分裂都会将这些能量缺陷传递给子代细胞。因此异常可能扩散到组织的大部分,并最终损害器官功能。这种可能性表明为什么肌动蛋白动力学可以积极地促进遗传的线粒体的分布。

 

Moore等。使用所谓的光遗传学工具产生线粒体受损的细胞。作者触发了线粒体子集中破坏性活性氧的产生,并同时专门标记了这些线粒体。他们观察到受损细胞器的分散取决于循环肌动蛋白波的存在。作者将他们的实验数据输入计算机模型,结果表明肌动蛋白波触发了由彗尾驱动的运动爆发,彗尾在细胞分裂过程中随机分布线粒体。这种活动促进细胞器的分散,并确保受损的线粒体的负担在有丝分裂分裂的两个子细胞之间平均分配(图1)。

作者的发现揭示了几个有趣的方面,值得进一步研究。确定调节线粒体表面肌动蛋白动力学的分子途径将是有趣的。先前的一项研究9报道,在有丝分裂之前的细胞周期的中间阶段,旋转的肌动蛋白波调节线粒体分裂与融合之间的平衡。重要的是要发现线粒体的运动,相互连接和分散是否是相互影响的过程。

某些类型的细胞不对称分裂并产生具有不同命运的子代细胞。在干细胞分裂过程中,分裂细胞中较老的线粒体优先分配给注定要分化的子细胞,而较年轻和“钳子”的线粒体则分配给保持干细胞特性的子细胞10。因此,可以预测这些细胞中的线粒体混合受到抑制,而尚不知道的其他机制可确保线粒体的不对称遗传。显然,线粒体研究将在未来带来更多惊喜。

 

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