在细胞的微观世界里，线粒体就像一个个忙碌的 “能量工厂”，为细胞的各种活动提供能量。这些小小的细胞器不仅承担着能量生产的重任，还在代谢物运输、脂质合成以及维持离子平衡等众多关键细胞功能中发挥着重要作用。它们通常呈现出一种半连续的网络状态，其形状和在细胞内的分布受到基于细胞骨架的运动、分裂以及同型融合等过程的精细调控。
有趣的是，线粒体可不是千篇一律的 “刻板工人”。它们在细胞内展现出令人惊讶的异质性，无论是蛋白质密度和组成，还是形状、与其他细胞器的接触情况以及功能，都存在着显著差异。这种异质性还体现在它们在细胞内的分布上，比如在神经元的轴突和树突中，在迁移细胞的前沿，甚至在应激诱导产生的丝状伪足（filopodia，一种由肌动蛋白介导的细胞突起，在细胞黏附、环境感知和迁移中发挥作用）里，都能发现线粒体的身影。
尽管科学家们已经知道线粒体有这些特点，但对于单个线粒体在满足细胞内局部代谢需求方面所起的具体作用，以及这种物理和功能上的异质性是如何形成的，仍然知之甚少。打个比方，细胞就像一座大城市，每个区域都有不同的 “能量需求”，但我们却不太清楚每个 “能量工厂”（线粒体）是怎么精准地为特定区域提供合适 “能源” 的，以及它们是如何变得各不相同的。这就像城市里的工厂，有的生产汽车，有的生产衣服，线粒体也有不同的 “分工”，但我们还不明白其中的奥秘。这也成为了细胞生物学领域亟待解决的谜题，吸引着众多科研人员去探索。
为了揭开这个谜题，美国德克萨斯大学西南医学中心（UT Southwestern）的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在了《当代生物学》（Current Biology）期刊上，论文题目是《METEORs：一种定位在丝状伪足的特殊线粒体亚群》（METEORs: A Subpopulation of Mitochondria Localized to Filopodia） 。研究人员发现了一种特殊的线粒体亚群，他们将其命名为 “METEORs”（全称为 MICOS enrichment at mitochondria tips enhanced at the outer regions of cells，即细胞外周线粒体尖端 MICOS 富集增强）。这些 METEORs 有着独特的蛋白质组成，并且在细胞迁移过程中发挥着重要作用。这一发现就像在黑暗中点亮了一盏灯，为我们理解细胞内线粒体的功能和细胞迁移机制提供了新的视角，对深入了解细胞生物学的基本过程以及相关疾病的发生机制有着重要意义。
在这项研究中，研究人员运用了多种技术方法。其中，免疫荧光染色技术（immunofluorescence staining）就像给细胞中的各种成分贴上了不同颜色的 “标签”，通过使用特定的抗体与目标蛋白结合，再用荧光标记的二抗进行检测，从而清晰地观察到蛋白质在细胞内的定位和分布情况。共聚焦显微镜技术（confocal microscopy）则像是一台能穿透细胞的 “超级放大镜”，可以对细胞进行高分辨率的成像，让研究人员能够看到细胞内部的精细结构。此外，RNA 干扰技术（RNA interference，RNAi）被用来抑制特定基因的表达，就像给基因 “踩了刹车”，以此来研究这些基因对线粒体功能和细胞行为的影响 。
下面我们来详细看看研究人员都有哪些重要发现。
MICOS 复合物在细胞外周部分线粒体的尖端高度富集
研究人员在对 U2OS 细胞（一种骨肉瘤细胞系）进行研究时，偶然发现了一个有趣的现象。当他们用间接免疫荧光法检测 MICOS 复合物的亚基 MIC60 时，发现大多数线粒体中，MICOS 是以一种不均匀的半点状模式分布的，这和它在嵴连接（cristae junctions，线粒体内部结构的一部分，对线粒体的呼吸功能很重要）处的富集情况相符。但在一些细胞的外周，有少数线粒体的 MIC60 含量相对于细胞内其他线粒体来说，高得十分明显。
为了进一步探究这个现象，研究人员给细胞中的 MIC60、TIMM23（线粒体内膜转位酶（TIM）复合物的成员，是线粒体内膜上丰富的蛋白质）以及 TOMM20（线粒体外膜转位酶（TOM）复合物的亚基）进行了免疫标记，并使用共聚焦显微镜进行成像观察。结果发现，在大多数线粒体中，MIC60 和 TIMM23 的分布相似，但偶尔会出现 MIC60 在某个线粒体的远端尖端高度集中，或者在细胞外周的小线粒体片段中富集的情况。这些带有 MIC60 富集尖端的线粒体，也就是 METEORs，大约在 40% 的细胞中出现，而且每个细胞中通常不超过三个。
研究人员还想知道这种 MIC60 的富集是不是 MIC60 特有的现象，于是他们用其他 MICOS 亚基（如 MIC19 和 MIC27）以及与 MICOS 相关的 MIB 复合物的成分进行免疫标记。结果发现，这些成分都在 METEORs 的尖端共同富集，这表明 MICOS 和 MIB 复合物的成分都会在 METEORs 的尖端聚集。
为了更准确地了解 MIC60 在 METEORs 尖端的富集程度，研究人员进行了量化分析。他们发现，相对于细胞外周的其他线粒体，MIC60 在 METEORs 尖端的平均富集倍数达到了 3.9 倍，而 TIMM23 和 TOMM20 的富集程度则没有这么明显。
为了排除化学固定和染色可能带来的误差，研究人员还观察了活细胞中的 MICOS 分布情况。他们将细胞进行了短暂转染，让细胞表达 MIC27 - GFP 或 MIC10 - GFP 以及线粒体内膜标记物 TIMM50 - mCherry。结果发现，在活细胞的外周线粒体中，也能看到 MIC27 - GFP 或 MIC10 - GFP 的富集现象。通过对这些线粒体进行时间推移成像，研究人员发现，MICOS 在 METEORs 尖端的定位通常比较稳定，但也会出现一些动态变化，比如 MIC27 - GFP 会从线粒体尖端重新分布，然后再回到尖端，而且 METEORs 还会发生移动，偶尔还会在 MICOS 富集的部位发生分裂，产生 MICOS 富集的线粒体片段。
METEORs 定位于一小部分丝状伪足
研究人员注意到 METEORs 总是出现在线粒体网络的最外周，于是他们想看看 METEORs 和细胞膜（plasma membrane，PM）之间的位置关系。他们先用荧光标记的小麦胚芽凝集素（wheat germ agglutinin，WGA）对细胞膜进行标记，然后再对 MIC60 和 TIMM23 进行免疫标记。结果发现，在共聚焦显微镜的分辨率下，METEORs 几乎总是和细胞膜接触，或者位于细胞膜延伸出来的结构中。
为了观察这些线粒体在活细胞中的动态变化，研究人员将 MIC27 - GFP、TIMM50 - mCherry 和细胞膜标记物 PM - TagBFP 共转染到细胞中，然后用共聚焦显微镜进行 5 分钟的成像观察。他们发现，METEORs 经常在细胞膜的延伸结构中动态移动，有的会朝着生长中的细胞膜延伸结构的尖端移动，有的则会从尖端缩回。研究人员还用全息断层显微镜（holotomography microscopy）对线粒体进行了更长期的无标记成像观察，发现线粒体可以动态地定位到细胞膜的延伸结构中，并在那里稳定存在几分钟，最后这些线粒体和细胞膜延伸结构会回缩，线粒体还会重新回到线粒体网络中。
研究人员猜测这些含有线粒体的细胞膜延伸结构可能是丝状伪足，为了验证这个猜测，他们将 MIC27 - mCherry、PM - TagBFP 和丝状伪足标记物 GFP - MYO10 共转染到细胞中。结果发现，含有 METEORs 的细胞膜延伸结构的尖端总是被 GFP - MYO10 标记，这就证明了这些结构就是丝状伪足。
进一步的研究发现，在稳态生长条件下，虽然几乎所有细胞都有丝状伪足，但只有约 40% 的细胞中至少有一个丝状伪足含有线粒体，而且所有丝状伪足中只有 4% 含有线粒体。不过，令人惊讶的是，大约 95% 存在于丝状伪足中的线粒体都表现出至少 2 倍的 MIC60 富集，这意味着丝状伪足中的线粒体几乎都是 METEORs。研究人员还比较了含有线粒体的丝状伪足和相邻不含线粒体的丝状伪足的长度，发现含有线粒体的丝状伪足平均长度大约是不含线粒体的丝状伪足的两倍，这表明在稳态生长条件下，一小部分丝状伪足含有 METEORs，而且 METEORs 的存在与丝状伪足的长度呈正相关。
此外，研究人员还研究了应激条件（如葡萄糖饥饿和 H?O?处理）以及呼吸需求增加（在无葡萄糖培养基中添加半乳糖作为碳源培养细胞）对 METEORs 的影响。结果发现，这些条件并没有增加线粒体向丝状伪足的靶向定位，甚至在某些情况下还会降低 METEORs 的出现频率。
MYO19 和 MIC60 是线粒体向丝状伪足运输所必需的
既然发现了 METEORs 存在于丝状伪足中，研究人员就想弄清楚这些线粒体是如何被运输到细胞外周的丝状伪足中的。之前有研究表明，一种与线粒体相关的肌球蛋白 MYO19 在促进线粒体向应激诱导的丝状伪足靶向定位中发挥着作用，而且 MYO19 还与 MIB 复合物有关联。
研究人员首先观察了 MYO19 相对于 MICOS 的定位情况。他们将细胞固定并进行免疫标记，然后用共聚焦显微镜观察。结果发现，在典型的线粒体上，免疫标记的 MYO19 分布在线粒体的外部，而在 METEORs 中，MYO19 会集中在与 MIC60 富集位点重合的点状结构上，MYO19 在 METEORs 中的平均富集倍数达到了 6.7 倍。
为了研究 MYO19 对 METEORs 形成和线粒体向丝状伪足运输的作用，研究人员用两种独立的小干扰 RNA（siRNAs）对 MYO19 进行了瞬时敲低。结果发现，MYO19 蛋白水平显著降低，同时 MIC60 富集的 METEORs 几乎完全消失，线粒体也几乎完全从丝状伪足中消失。这表明 MYO19 对于 METEORs 的形成和线粒体向丝状伪足的运输都是必需的。
由于线粒体不再存在于丝状伪足中，研究人员接着研究了 MYO19 敲低对丝状伪足数量和长度的影响。他们发现，MYO19 敲低并没有显著改变丝状伪足的密度，但丝状伪足的长度明显缩短了，尤其是那些较长的丝状伪足数量减少了。这进一步说明，在基础生长条件下，MYO19 依赖的线粒体靶向定位对于促进一部分较长丝状伪足的形成是必要的。
研究人员还发现，MYO19 敲低并没有对线粒体的整体网络形态、其他细胞器（如内质网）的形态和分布以及细胞骨架网络产生明显影响，而且线粒体嵴的外观和密度也没有受到影响。这表明急性 MYO19 敲低会选择性地减少 METEORs 的形成和线粒体向丝状伪足的靶向定位，但不会对 MICOS 复合物或线粒体形态造成严重缺陷。
除了 MYO19，研究人员还想知道 MICOS 复合物的局部富集对线粒体向丝状伪足的靶向定位是否重要。他们用 siRNA 敲低了核心 MICOS 亚基 MIC60，结果发现这导致了线粒体形态缺陷，线粒体常常集中在细胞核周围，并且无法运输到丝状伪足中。同时，丝状伪足的长度也缩短了，这与 MYO19 敲低后的现象相似。而且，MIC60 敲低对 MYO19 的水平和定位影响很小。这些数据表明，破坏 MICOS 复合物或敲低 MYO19 都会干扰 METEORs 的形成和线粒体向丝状伪足的运输，并且都会导致丝状伪足长度的减少。
METEOR 线粒体具有独特的组成
MICOS 复合物通常在线粒体内膜的嵴连接处富集，所以在免疫荧光图像中，其亚基会在线粒体中呈现半点状分布。但 METEORs 中 MICOS 复合物在尖端的高度富集是很不寻常的。研究人员推测，MICOS 和 MIB 亚基的高度富集可能意味着嵴连接、嵴膜以及呼吸复合物在这些位点也会富集。
为了验证这个推测，研究人员对野生型细胞进行固定和免疫标记，检测 MIC60 或 MIC19 以及呼吸复合物的组成成员（如复合物 I 的 NDUFB8、复合物 III 的 UQCRFS1、复合物 IV 的 COX4I1 和 ATP 合酶的 ATP5F1A）。结果却让他们大吃一惊，与其他线粒体相比，呼吸复合物亚基在 METEORs 中的染色并没有富集，和线粒体内膜蛋白 TIMM23 的染色情况没有明显差异。这说明 MICOS 亚基在 METEORs 中的局部富集并不意味着呼吸复合物也会在这些部位富集。
鉴于 METEORs 中 MICOS 的异常分布以及呼吸复合物亚基的非富集情况，研究人员进一步详细研究了 METEORs 的蛋白质组成。他们采用候选蛋白法，用针对线粒体不同亚区蛋白质的抗体进行检测。结果发现，除了 MYO19 和 MIB 亚基 SAMM50 和 DNAJC11，其他线粒体外膜蛋白（如 TOMM20 和 MAVS）在 METEORs 尖端并没有富集。而他们检测的线粒体内膜和基质蛋白则表现出选择性的富集或缺失，比如基质定位的蛋白（如伴侣蛋白 HSP60、柠檬酸循环酶 α - 酮戊二酸脱氢酶 OGDH 和丙酮酸脱氢酶 E1α 亚基 PDHA1）相对于内膜蛋白（如 TIMM23）明显减少，而 Ca2?单向转运体亚基 MCU 在 METEORs 尖端却有近 2 倍的富集，是除了 MICOS 相关蛋白外，在 METEORs 中表现出显著局部富集的唯一蛋白。这一系列结果表明，METEORs 与细胞内其他线粒体的组成明显不同。
由于基质定位亚基的相对蛋白染色普遍减少，研究人员检测了 METEORs 尖端是否存在线粒体 DNA（mtDNA）。他们用 dsDNA 抗体对细胞进行免疫标记，发现虽然在 MICOS 富集尖端的线粒体小管中总是存在 mtDNA，但 mtDNA 从未定位在富集位点。而且，METEORs 经常以线粒体片段的形式出现，在这些片段中，mtDNA 很少存在，也从不定位在 MIC60 富集位点。这说明 METEORs 尖端和片段通常不含有 mtDNA。
线粒体与内质网（ER）有着紧密的动态联系。研究人员想知道在丝状伪足中，内质网 - 线粒体接触位点是否存在，以及内质网是否与 METEORs 中 MICOS 富集的尖端相关。他们发现，在活细胞和固定细胞中，都能观察到内质网和线粒体一起存在于丝状伪足中的情况，但也有 MICOS 富集位点似乎与内质网膜没有接触，以及丝状伪足中的单个线粒体似乎失去了与内质网的联系的情况，这表明 METEORs 可能会与内质网脱离接触。
由于 METEORs 尖端的组成不寻常，基质蛋白水平相对较低且没有 mtDNA，研究人员担心这些线粒体可能没有功能。之前有研究表明，在中性粒细胞中，MYO19 会介导膜电位低的功能失调线粒体向迁移体运输并被处理，这个过程被称为线粒体胞吐（mitocytosis）。于是，研究人员检测了丝状伪足中线粒体的膜电位，因为丝状伪足中的线粒体几乎都是 METEORs。他们用膜电位依赖性染料四甲基罗丹明乙酯（TMRE）对线粒体进行染色，发现丝状伪足中的线粒体与细胞外周的线粒体有着相同的 TMRE 染色，而用羰基氰化物间氯苯腙（CCCP，一种能使膜电位均匀崩溃的物质）处理后，TMRE 信号消失了。这说明尽管 METEORs 的组成很不寻常，但丝状伪足中的 METEOR 线粒体在跨内膜（IMM）上保持着极化状态，也就是说它们可能是有功能的。
消除丝状伪足中的线粒体扰乱细胞迁移
丝状伪足在细胞黏附和迁移中起着重要作用。鉴于线粒体的存在与丝状伪足长度之间的相关性，研究人员推测这种组成独特的线粒体（METEORs）可能会促进丝状伪足的功能，从而支持细胞迁移。
研究人员对细胞进行了 3.5 小时的成像观察，用 Hoechst 染色标记细胞核，以此来确定数百个细胞的个体运动情况。他们发现，当细胞接种在未包被的玻璃底培养皿上时，只有一小部分细胞能够运动，细胞群体的整体运动相对有限。但当细胞接种在预先包被有胶原蛋白的表面时，U2OS 细胞的迁移明显增加，而且个体细胞的运动在细胞群体中更加均匀。
研究人员还发现，在胶原蛋白包被的表面上生长的细胞中，METEORs 的出现频率明显增加，同时含有线粒体的丝状伪足的长度也显著增加，而不含线粒体的丝状伪足的长度和密度则没有受到影响。这表明在促进细胞迁移的底物上生长会增加丝状伪足中 METEORs 的出现频率，并与含有线粒体的丝状伪足的长度选择性增加相关。
既然 METEORs 的存在与细胞迁移率呈正相关，研究人员接着研究了抑制 METEORs 的形成和消除丝状伪足中的线粒体对细胞迁移的影响。他们敲低了 MYO19，然后将细胞接种在胶原蛋白包被的培养皿上进行分析，结果发现细胞的位移速率显著降低，这表明 MYO19 对于正常的细胞迁移是必需的。但由于 MYO19 敲除细胞在粘着斑方面存在缺陷，研究人员认为 MYO19 敲低对细胞迁移的影响可能不仅仅是因为 METEORs 无法运输到丝状伪足。于是，他们又敲低了 MIC60，结果发现这也导致了细胞迁移的显著减少。综合这两个实验结果，研究人员认为丝状伪足靶向 METEORs 对于促进正常的细胞运动速率是必要的。
研究人员还研究了破坏 MCU 复合物对
