首次在活体动物观察到线粒体振荡

　　

生物通报道：线粒体振荡已经困惑了科学家们40多年。最近，美国国立卫生研究院牙科和颅面研究所（NIDCR）的一个科学家小组，首次在活体动物（实验室大鼠唾液腺）中观察到了线粒体振荡。相关研究结果发表在2014年10月16日的《Cell Reports》杂志，表明振荡可自发地发生，并经常发生在啮齿类动物细胞中，这使得研究人员相信，它几乎必定也发生在人类细胞中。

本文资深作者、NIDCR 科学家Roberto Weigert博士指出：“这些动作可以持续几十秒到几分钟，这是很长的时间，往往比以前细胞培养中观察到的节奏要快。”线粒体似乎也同步它们的运动，不仅在个体细胞中，而且相当意外的是，也进入一个振动在整个组织的振荡器连接网络。

Weigert说：“你通过显微镜看到，它看起来几乎就像一种同步的舞蹈。同步化告诉我们，当我们研究线粒体时，需要区分森林和树木——反之亦然。有可能是，森林把握着理解线粒体在人类健康和疾病中如何发挥作用的关键。”

在细胞的细胞质中，线粒体是几个不同细胞器中的一个。线粒体是被称为细胞的发电厂。它们产生一个持续的ATP分子供应，就一些煤块，作为细胞的主要能量来源，供以能量，使心脏跳动、肌肉伸展和身体几乎每一个动作。

为了保持细胞完全充电，线粒体运作了四条生化生产线，与来自普通呼吸的氧分子结合，产生ATP。其中一条生产线首先开始处理分子烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）。Weigert及其同事认识到，当NADH作为ATP生产过程的一部分，自然发射出电子时，他们可以使用高放大率的显微镜来可视化NADH。

关键是他们对显微镜的选择。Weigert及其同事精通活体镜检法——一种超高分辨率技术，可以追溯到十九世纪。到目前为止，它过于强大因此没有用于活体动物。

Weigert说：“动物会呼吸，它们的心跳和肢体抽搐。在很大的放大倍率下，联合效应就像是看一场6级地震。一切都在振荡，模糊了焦点。我们已经开发出方法，更好地稳定我们感兴趣的器官，并减少运动伪影。此时，它只不过是产生了更强大的光学，来可视化真实展现在体内的生命化学，而不是在人工实验室条件下——这种条件会加压于细胞，并可能会改变它们的行为。”

强大的光学使科学家们能在其自身环境中可视化振荡，并思考它们的原因。根据一系列的后续实验和观察，研究人员发现，振荡与活性氧的生产有关，活性氧是制造ATP的一种化学交互副产物。这一发现表明，振荡可能并不是线粒体固有的，而是对自身环境中条件的一种反应。

本文第一作者、NIDCR科学家Natalie Porat-Shliom称：“这些发现，强调了按照自身条件、而不是在人工实验室条件下，进行系统生物学研究，是多么的重要。我们在活体动物中看到了很多你在细胞培养中看不到的东西。在这种情况下，原因很可能是，线粒体持续接受来自血管、神经系统及其周围环境的信号涌入。整个系统不能在细胞培养中被重组。”

Porat-Shliom指出，这些研究结果，在线粒体框架研究中应该具有广泛的科学兴趣，并可能具有未来的临床意义。估计有200万美国人患有线粒体疾病，线粒体能量消耗失败，不能正常发挥功能，可能对大脑、心脏、肾脏和其他身体系统具有不利影响。许多科学家也怀疑，当线粒体变得更好理解时，它们可能会被理解为，在人类健康和疾病中发挥一个更突出的作用。

（生物通：王英）

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生物通推荐原文摘要：
In Vivo Tissue-wide Synchronization of Mitochondrial Metabolic Oscillations
Summary：Little is known about the spatiotemporal coordination of mitochondrial metabolism in multicellular organisms in situ. Using intravital microscopy in live animals, we report that mitochondrial metabolism undergoes rapid and periodic oscillations under basal conditions. Notably, mitochondria in vivo behave as a network of functionally coupled oscillators, which maintain a high level of coordination throughout the tissue via the activity of gap junctions. These findings reveal a unique aspect of the relationship between tissue architecture and self-organization of mitochondrial metabolism in vivo.