CNS高产学者Cell：线粒体代谢物测量新法

　　

生物通报道：最近，Whitehead研究所的科学家们开发出一种方法，可快速分离和系统地测量线粒体（被称为细胞的“动力室”）内的代谢物浓度。之前尝试这种测量，得到的结果不可靠，要么分离线粒体的时间太长，要么来自其他细胞成分的内容物污染了线粒体代谢物。相关研究结果发表在8月25日的《Cell》杂志。

领导这一研究的是Whitehead研究所成员、霍华德休斯医学研究所研究员、麻省理工学院（MIT）教授David Sabatini。这位科学家每年发表论文的数量大约为20篇，其中Nature、Science、Cell文章约为2篇左右。2015年Sabatini在CNS上发表的论文几乎达到“刷屏”的程度,总数居然有10篇之多（Science发表CRISPR基因组编辑重要成果 ，Cell：CRISPR解答细胞代谢谜题 ，Science：关键代谢通路的重要新发现）。2016年已发表了2篇Science文章，1篇Nature文章，一篇Nature Genetics文章（Nature揭秘饮食如何影响癌症 ，三篇Science文章聚焦mTORC1 ，Science：关键代谢通路的重要新发现 ，Nature子刊：mTOR通路的新作用）。

David Sabatini称：“这种新方法的优点在于，它将速度和特异性结合起来。我们对在体内和其他细胞器（如溶酶体）中应用这一流程而感到很兴奋。”

通过精确控制的化学反应，线粒体以ATP的形式产生能量，并在细胞内稳态中发挥着重要的作用。线粒体功能障碍存在于一些疾病中，包括帕金森氏病、心血管疾病和线粒体疾病。到现在为止，探究这些重要细胞器的内部代谢运作，一直是具有挑战性的和不准确的。

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分析线粒体代谢产物的常规方法，涉及使用几轮的离心来纯化线粒体，这个过程需要进行一个多小时来完成。据David Sabatini实验室的研究生Walter Chen介绍，在研究代谢产物时，时间是一个重要的问题。

Chen说：“即使你使样品保持在4摄氏度或0摄氏度，以减缓任何反应，你得到的线粒体代谢曲线仍然逐渐失真，因为酶仍然在起作用，所以转运蛋白也在起作用。随着时间的推移，线粒体在细胞外变得越来越不快乐了。”

另一种常用来分析线粒体代谢产物的方法，依赖于简化的离心分离，来分离线粒体。虽然更快，但是这个流程也带来了非线粒体物质和其他细胞器，因此由于来自其他线粒体的代谢产物，使得真正的线粒体信号失真。

为了减少分离线粒体需要的时间，同时增加代谢物分析的精度，Chen采取了一种完全不同的方法——快速纯化。他将线粒体的外部涂上表位标签，并添加了覆盖有标签特异性抗体的的微珠。通过锁定这些标签，抗体将线粒体连接到微珠上，从而使Chen能够容易地分离线粒体，打破线粒体，并在10分钟内停止所有的酶活性。根据他的分析，这种更快的方法所产生的结果，能够更好地反映一个活细胞内实际的线粒体代谢水平。

Chen指出：“根据目前为止我们的数据显示，用这种方法分析线粒体，绝对会带给你更大的分辨率，超过传统方法分析整个细胞所获得的分辨率。我认为这将是相当强大的，这正是我最兴奋的地方。我已经看到，这可能给人们指出了新的和有趣的方向。”

Chen说，该方法是非常灵活的，可以适用于分析其他细胞器的代谢产物，并能够把受线粒体功能障碍影响的细胞（如受帕金森氏病损坏的神经元）内的线粒体，与似乎不受疾病影响的正常细胞或其他类型的细胞进行比较。

（生物通：王英）

生物通推荐原文摘要：
Absolute Quantification of Matrix Metabolites Reveals the Dynamics of Mitochondrial Metabolism
Summary: Mitochondria house metabolic pathways that impact most aspects of cellular physiology. While metabolite profiling by mass spectrometry is widely applied at the whole-cell level, it is not routinely possible to measure the concentrations of small molecules in mammalian organelles. We describe a method for the rapid and specific isolation of mitochondria and use it in tandem with a database of predicted mitochondrial metabolites (“MITObolome”) to measure the matrix concentrations of more than 100 metabolites across various states of respiratory chain (RC) function. Disruption of the RC reveals extensive compartmentalization of mitochondrial metabolism and signatures unique to the inhibition of each RC complex. Pyruvate enables the proliferation of RC-deficient cells but has surprisingly limited effects on matrix contents. Interestingly, despite failing to restore matrix NADH/NAD balance, pyruvate does increase aspartate, likely through the exchange of matrix glutamate for cytosolic aspartate. We demonstrate the value of mitochondrial metabolite profiling and describe a strategy applicable to other organelles.