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线粒体变身“甜甜圈”

线粒体变身“甜甜圈”的自由能曲线

9月1日，Cell出版社生物物理学杂志Biophysical Journal 在线发表了中国科学院广州生物医药与健康研究院刘兴国研究组的研究成果Modeling of Mitochondrial Donut Formation。该研究针对缺氧/复氧病理条件下线粒体应答的新形态——“甜甜圈(donut)”，首次通过构建3D动态数学模型计算结构转换中的自由能变化，论证了线粒体“甜甜圈”形成的自发性和“甜甜圈”存在的稳定性。

缺氧/复氧过程广泛存在于心脑血管、肾病等多种疾病以及人工手术过程中，比如心脏缺血再灌注，在这个过程中，在缺血时组织细胞面临缺氧和葡萄糖缺乏导致的饥饿，恢复供血后细胞突然大量死亡，造成器官坏死和功能异常。研究组以此病理学为基础，在前期研究中发现线粒体应答的新形态——“甜甜圈”，这一“甜甜圈”形态的线粒体在环境条件恢复正常时可以迅速恢复膜电势，恢复正常呼吸功能。然而，缺氧/复氧病理条件下线粒体由正常的线状或粒状变为“甜甜圈”的力学机制和能量过程一直不清楚。

该研究精确测量了线粒体的直径，并统计线粒体“甜甜圈”环结构直径的数值分布(95%大于0.8微米)。在此基础上，该研究构建了3D光滑曲面的“几何线粒体”模型，通过对曲面任意点的积分定量线粒体的3D空间信息，因此这一模型可以模拟线粒体的实时动力学：膨胀/缩小，融合/分裂，弯曲和变身为有尾巴和无尾巴的两种“甜甜圈”。研究组通过计算线粒体从线状变身为“甜甜圈”的过程中弯曲能和渗透压能的变化，构建了这一过程自由能变化模型。结果表明，弯曲能是线粒体变身为“甜甜圈”的主要障碍，而“甜甜圈”直径小于0.8微米将带来极大的自由能增加。这一模拟计算的结论与实际观察的“甜甜圈”环结构直径的数值分布完全一致。

细胞能量状态和亚细胞结构转换一直是外界信号调控的两大方面。该研究建立了3D动态数学模型，论证了线粒体结构转换中的能量控制机制，是细胞能量状态和亚细胞结构转换之间相互作用的范例。线粒体处于不断的动态中，这对于细胞的“生老病死”非常重要。该研究针对缺氧/复氧这一重要病理条件下，线粒体应答外界压力变身为新形态“甜甜圈”，阐明了这一过程发生的自发性和“甜甜圈”存在的稳定性，是线粒体适应性动力学应答的新模式。