HCB五月聚焦：细胞器——线粒体和过氧化物酶体

《Histochemistry and Cell Biology》：May in focus in HCB: organelles—mitochondria and peroxisomes

　　

在2026年5月的《HCB》焦点编辑部中，研究人员将重点介绍两篇近期手稿，聚焦于（1）体细胞（成纤维细胞）重编程为多能性过程中线粒体功能和结构如何重组，以及（2）一项关于长链未折叠蛋白能否从细胞质输入过氧化物酶体基质的研究。

**论文解读文章**

**研究背景与问题**

线粒体起源于约15亿年前α-变形菌与古菌宿主的内共生，这一进化历史使其成为真核细胞的核心细胞器。传统上，线粒体被描述为“细胞的能量工厂”，主要通过氧化磷酸化（OXPHOS）产生ATP。然而，在体细胞重编程为诱导多能干细胞（iPSC）的过程中，已知伴随从氧化磷酸化向糖酵解的代谢转变，但这种转变对线粒体功能、丰度及内部结构的具体影响尚未完全阐明。同时，过氧化物酶体作为普遍存在的真核细胞器，负责脂质代谢和自由基解毒，其基质蛋白的输入依赖于C端PST1信号序列被胞质受体过氧化物酶体蛋白（Pex）5识别，并通过瞬时转运孔进入基质。但该转运孔是否能容纳长度极大的未折叠蛋白仍属未知。因此，两项研究分别针对上述问题展开：Diak等（2026）分析了人皮肤成纤维细胞及其iPSC衍生细胞的线粒体重塑；Pedersen等（2026）利用酵母模型验证长链未折叠蛋白能否穿越过氧化物酶体膜。

**研究内容与结论**

Diak等（2026）从健康供体和骨生成不全（OI）患者（一种胶原相关遗传病，非线粒体功能障碍相关）获取人真皮成纤维细胞，并诱导为iPSC。通过流式细胞术、免疫荧光显微镜、定量逆转录聚合酶链反应（qRT-PCR）、线粒体DNA（mtDNA）拷贝数分析及透射电子显微镜（TEM）结合形态测量和密度测量，系统分析了重编程前后的线粒体变化。结果显示，成功重编程后iPSC表达多能性标志物SSEA-4、TRA-1-60和TRA-1-81；基因表达谱表明重编程伴随线粒体调控基因、mtDNA编码的呼吸链基因及细胞外基质重塑酶的转录变化。功能上，iPSC的线粒体质量减少，活性氧水平降低，mtDNA拷贝数下降，提示线粒体活性被可控下调而非功能障碍。超微结构分析发现，亲代成纤维细胞线粒体呈细长、分支状网络，嵴结构清晰、基质电子密度高；而iPSC中线粒体呈球形、点状，轮廓平滑，嵴结构简化，基质密度降低。形态测量显示iPSC中线粒体圆形度、圆度及坚固性增加，长宽比降低，表明群体向形态均一化转变；密度测量进一步揭示整体电子密度下降，内部纹理复杂度降低，与嵴组织丢失一致。此外，iPSC中线粒体纹理与密度呈负相关，而亲代细胞中呈弱正相关。总之，重编程过程中线粒体经历了结构重塑，但仍保持膜完整性，内部结构简化均一，伴随代谢从氧化磷酸化向糖酵解的转换。

Pedersen等（2026）以酵母Hansenula polymorpha为模型，构建了不同长度的融合蛋白：N端GFP标记的酿酒酵母核孔蛋白1（Nsp1）片段（含Nsp1的301个氨基酸、601个氨基酸或双倍长度1200个氨基酸），并在C端连接PST1信号序列（ASLTDGVEKSKL）。此外，为排除GFP折叠结构的影响，还构建了不含GFP、仅含双血凝素标签的Nsp1₆₀₁或Nsp1₁₂₀₀（完全未折叠）。荧光显微镜观测到所有融合蛋白与过氧化物酶体膜标志物Pex3-mKate2共定位。通过体内蛋白酶保护实验和免疫金电镜（immunogold EM），证实部分融合蛋白定位于过氧化物酶体基质内，包括计算分子量为153.5 kDa、估计长度约500 nm的Nsp1₁₂₀₀融合蛋白。研究明确证明，极长且完全未折叠的融合蛋白能够穿过过氧化物酶体膜。作者进一步提出两种可能的侧向拉动机制用于解释超长未折叠PST1蛋白的基质输入。

**关键技术与方法**

Diak等使用流式细胞术、免疫荧光显微镜、qRT-PCR及mtDNA拷贝数分析评估基因表达与功能；核心超微结构分析依赖透射电子显微镜（TEM）结合详细形态测量与密度测量。样本来源包括健康供体和OI患者（骨生成不全）的人真皮成纤维细胞及其iPSC衍生细胞。Pedersen等利用酵母Hansenula polymorpha构建Nsp1融合蛋白（含不同长度无序区及PST1信号序列），通过荧光显微镜观察共定位，采用体内蛋白酶保护实验和免疫金电镜（immunogold EM）确认蛋白进入基质。

**研究结果概述**

*The mighty mitochondrion*：通过流式细胞术和免疫荧光证实iPSC表达多能性标志物；基因表达分析（qRT-PCR）显示线粒体调控基因与呼吸链基因转录变化；流式分析表明iPSC线粒体质量降低、活性氧水平下降；mtDNA拷贝数减少。TEM超微结构分析结合形态测量（圆形度、圆度、坚固性、长宽比）和密度测量（电子密度、纹理参数），揭示iPSC中线粒体从细长网络转变为球形均一群体，嵴结构简化，基质密度降低，且纹理与密度呈负相关。结论：重编程诱导线粒体结构重塑，伴随代谢转换。

*Peroxisomal matrix protein import: the elongated kind*：通过荧光显微镜观察到所有三种GFP-Nsp1融合蛋白与Pex3-mKate2共定位；无GFP的双HA标记Nsp1₆₀₁和Nsp1₁₂₀₀融合蛋白在体内蛋白酶保护实验中被保护（不被降解），免疫金电镜显示金颗粒位于过氧化物酶体基质内。结论：计算长度约500 nm、分子量153.5 kDa的长链未折叠蛋白可穿越过氧化物酶体膜，并提出侧向拉动输入机制。

**总结讨论与结论**

第一项工作揭示了体细胞重编程为iPSC时线粒体经历有序的结构重塑，而非退化，这些变化在不同遗传背景（正常和OI）中保守，为理解代谢重编程与细胞命运决定提供了结构基础。第二项工作突破性地证明过氧化物酶体转运孔可容纳长度达500 nm的完全未折叠蛋白，扩展了对过氧化物酶体基质输入能力尺度的认知。两项研究分别发表于《Histochemistry and Cell Biology》。研究结论部分总结：Diak等确认重编程导致线粒体功能下调与内部结构简化，但膜完整性保持，表明代谢转变伴随精细的细胞器重塑；Pedersen等证实极长未折叠蛋白（约500 nm）可被输入过氧化物酶体基质，支持转运孔具有高度柔性的模型。