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导读

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线粒体裂变是高度调节的过程，破坏时，可以改变代谢，增殖和凋亡。在这里，我们使用活细胞结构照明显微镜来捕获线粒体动力学。通过分析非洲绿猴Cos-7细胞和小鼠心肌细胞中的数百个裂变，我们发现了两种在功能和机制上均不同的裂变类型。外围的分割使受损的材料掉落到较小的线粒体中，以进行线粒体吞噬，而中间区域的分裂则导致线粒体的增殖。两种类型都由DRP1介导，但内质网和肌动蛋白介导的预收缩和衔接子MFF仅控制中区裂变。周围裂变先于溶酶体接触，并受线粒体外膜蛋白FIS1调控。这些独特的分子机制解释了细胞如何独立调节裂变，从而导致独特的线粒体命运。

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总述

裂变似乎是沿着线粒体的长度轴随机发生的。我们在没有药理学诱导的情况下以高时空分辨率记录了自发性线粒体动力学。活Cos-7细胞的结构化照明显微镜成像使我们能够精确确定各种形状和长度的线粒体的裂变位置。对数百个自发裂变的分析显示出不均匀的概率分布，其中裂变位置沿着线粒体的相对长度呈双峰分布。正如预期的那样，考虑到线粒体的面积相对恒定，通过考虑线粒体的面积而不是长度可以得到类似的结果。这种分布与线粒体分裂的长度无关（ExtendedDataFig.1c，d）。由于这种双峰性，从外围区域分裂而来的较小子线粒体具有相对较窄的长度分布（1-2μm）。用内膜或外膜标记物标记的线粒体显示出相似的双峰分布，证实了完整的裂变。为了检验我们观察的一般性，我们测量了出生后小鼠心肌细胞的裂变。再次，我们发现线粒体的双峰分布在中部区域或外围区域。

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功能障碍先于周围裂变

我们想知道几何上不同的裂变类型是否反映了潜在的生理差异。我们发现，染料四 若丹明 （TMRE）报道的线粒体膜电位与相应的大子粒线粒体或非分裂线粒体相比，在裂变前在小周边子粒线粒体中降低了。相比之下，中段裂变的子代线粒体之间未观察到差异。同样，遗传编码的pH传感器SypHer报告了裂变前小子体线粒体中的基质pH降低。含有线粒体-GFP的小末梢子代线粒体保持强度。因此，这些结果不能用其减小的体积来解释。此外，由中部裂变产生的最小线粒体的大小与周围裂变的大小相似。

线粒体功能障碍的另一个迹象是ROS积累，通常被抗氧化酶15消除。与未分开的线粒体或中区裂变的子粒体相比，通过MitoSOX和遗传编码的mito-GRX1-roGFP测量的ROS水平升高。用浓度为nM的ROS清除剂MitoQ处理的细胞表现出降低的外周裂变速率，而中区裂变速率不受影响。 ，我们使用遗传编码的传感器mito-R-GECO1检查了线粒体Ca2+水平和CEPIA3-mt。线粒体Ca2+通过缓冲动态平衡在细胞存活和死亡中发挥作用。与中区或非分裂线粒体相比，小周边子代线粒体中的Ca2+水平显着增加，而大周边子代线粒体中的Ca2+含量则轻度升高。因此，我们发现裂变之前或之后中部裂变的生理状态没有差异，而周围裂变先于增加的Ca2+和ROS，以及降低的膜电位和pH。

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不同的立场和独特的命运

由于单个线粒体在周围裂变的上游显示出压力和破坏的迹象，因此我们假设它可能导致降解，而中区裂变可以促进生物发生。平均而言，线粒体外周和中央分裂的mtDNA病灶总数（核苷酸）没有显着差异。但是，我们观察到来自外围裂变的较小子代线粒体中有32％不包含核苷，而来自中区裂变的子代线粒体中只有3％。与含有mtDNA的线粒体相比，缺乏mtDNA的线粒体的膜电位也降低了。我们观察到线粒体RNA颗粒，其由mtRNA和RNA加工的蛋白。与不分裂的线粒体相比，来自中部裂变的子代线粒体含有更高数量的复制性TWINKLE阳性核苷。相比之下，75％的较小的外周子体线粒体不含TWINKLE病灶。然后，我们通过暴露于紫外线（UV）诱导mtDNA损伤，并用溴尿苷（BrU）标记新合成的RNA。我们发现，紫外线处理后，线粒体的BrU焦点减少，表明转录受到破坏。与其假定的降解作用相一致，在小的外周子代线粒体中，类核苷的患病率增加（82％，而未进行紫外线照射的则为68％）。

在周边裂变部位，我们还观察到了线粒体来源的囊泡，已知该囊泡靶向晚期内体进行降解。在某些情况下，我们观察到自噬小体吸收了源自周围裂变的小子粒线粒体。这表明膜电位下降，Ca2+上升和自噬机制的募集均在周围裂变之前发生。甚至在线粒体内膜明显收缩之前，膜电位和Ca2+的变化就会发生，表明分裂发生在裂变之前。

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单元上下文相关的调制

为了确定细胞是否能够以上下文相关的方式独立调节每种裂变类型，我们通过使Cos-7细胞在无葡萄糖，半乳糖补充的培养基中生长，使其遭受代谢应激。我们观察到每个细胞的周边裂变率增加，而线粒体中心分裂率保持恒定。我们还通过用 肾上腺素（一种增加收缩力并诱导肥大的非选择性β-肾上腺素受体激动剂）进行治疗，测试了能量需求增加以及氧化应激对原代小鼠心肌细胞的影响。我们对刺激48小时后的细胞进行了成像，发现与未处理的细胞相比，周围裂变的速率增加，而中区裂变的速率保持恒定

讨论

先前的研究表明，裂变是线粒体增殖和降解的基础。我们发现，调节裂变位点是决定增殖或退化的关键形态标志的细胞器水平调控，可以调和这一悖论。形成小的子代线粒体以隔离受损的成分具有一个优势：这样的小线粒体可以被自噬体吞噬，并使降解物质的质量最小化。我们对线粒体生理进行了精细的时空分析，结果表明，大多数外围分裂之前都存在膜电位和质子动力降低以及ROS和Ca2+升高的现象。级别，远早于DRP1的限制。尽管在一个线粒体中形成梯度很明显，但生物系统经常使用梯度来监测其几何形状，甚至单个cr也可以维持不同的膜电位。因此，我们推测在不存在线粒体膜接触来定义分裂部位的情况下，周围裂变可以利用该梯度作为定位线索。这将解释细胞如何通过反映线粒体生理的内在信号独立调节外周和中区线粒体的分裂。

我们的观察进一步支持独立调节，即不同的衔接蛋白介导外周和中区裂变。这样的范例可以解释划分机构中所报告的可变性和看似冗余。MFF在中部裂变处累积，并且仅在中部裂变中才需要，而FIS1对于调节周边裂变很重要。MFF在极和外围裂变部位的积累较弱，可能是由曲率驱动的。最初，有人提出将FIS1用作酵母中的DRP1衔接子，但后来在哺乳动物细胞中进行的研究发现与DRP1没有直接相互作用。确实，我们观察到FIS1在小而外围分裂的线粒体而不是病灶的外膜上的全面富集。因此，我们建议FIS1不充当DRP1衔接子，而是通过募集溶酶体来调节外周裂变，这与FIS1募集溶酶体-线粒体束缚分子TBC1D15的发现一致。

以上便是对此文章的大致介绍

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翻译

周璐含

编辑

蓬明楷

排版

陈灿

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