撰文 | 淼淼

責編 | 兮

線粒體是由雙層膜包裹的細胞器，是真核細胞內的“動力工廠”。多年來，人們對於線粒體起源、線粒體形態以及線粒體功能的研究從未止步。在20世紀後半葉，先後有5位科學家由於在線粒體領域的重大發現而獲得諾貝爾獎。研究人員發現線粒體主要參與機體的能量轉換，調控活性氧自由基的形成以及調控細胞凋亡，此外，線粒體還與生物體的發育、代謝、衰老腫瘤發生等有一定的關係【1】。

線粒體作爲一種複雜的細胞器，在細胞中並不是一成不變的，線粒體通過發生分裂（fission）和融合（fusion）改變線粒體的形態、結構以及數量，從而滿足細胞整體的生命活動。線粒體發生裂變（fission）和融合（fusion）是處於一種動態平衡的過程，一旦這個過程被打破，會對機體的生命活動產生重要的影響【2】。關於線粒體裂變（fission）過程的發生機制衆說紛紜。

早在1998年，來自於猶他大學的Janet M. Shaw教授及其團隊在Journal of Cell Biology發表文章，以酵母作爲模式生物研究發現高度保守的Dnm1p蛋白（GTPase dynamin-related protein 1）是酵母發生內吞過程中膜分離所必須的；Dnm1p對維持線粒體的形態至關重要【3】。

在2008年，來自Dulbecco Telethon研究所的L. Scorrano教授及其團隊在PNAS上發表文章，揭示了Drp1(GTPase dynamin-related protein 1, 酵母中的Dnm1p蛋白) 從胞質定位到線粒體這個過程對於功能障礙誘發的線粒體碎片化的影響【4】。在細胞分化、凋亡等過程中，線粒體形態的變化受到線粒體融合和裂變動態平衡過程的嚴格調控。當線粒體融合（fusion）過程受損裂變（fission）過程活躍，會導致線粒體過度破碎化。研究人員發現Drp1從胞質定位到線粒體這個過程呈現出鈣調神經磷酸酶依賴性；當線粒體去極化或者是胞質中的Ca2+濃度升高時，與Drp1相互作用的鈣調神經磷酸酶會被激活，使得Drp1發生鈣調磷酸酶依賴去磷酸化，Drp1會定位到線粒體，調控線粒體的裂變（fission）。

隨着近年來研究的深入，研究人員發現線粒體分裂分爲三個步驟：1）Drp1蛋白從胞質轉移到線粒體；2）內質網和肌動蛋白相互協作驅動Drp1蛋白收縮；3）Drp1蛋白進一步收縮直至線粒體裂變（fission）的發生。

然而，在2016年，科羅拉多大學博爾德分校Gia K. Voeltz和Cynthia Page教授及其團隊在Nature上發表文章，爲大家揭示了關於線粒體裂變（fission）與之前研究不同的觀點。他們認爲非神經元特異性的發動蛋白Dyn2（dynamin-1， DNM2）是線粒體裂變（fission）過程中的關鍵作用因子；結合活細胞和電鏡等技術手段發現，Dyn2和Drp1相互協同作用參與調控線粒體分裂（fission）過程；Dyn2在線粒體裂變（fission）的最後一步中具有內在的膜裂變特性【5】。

2019年6月20日，來自哥廷根大學的Ira Milosevic和 Nuno raimundo團隊根據Gia K. Voeltz和Cynthia Page團隊在Nature上發表文章（MATTERS ARISING）Mitochondrial fission requires DRP1 but not dynamins，提出的線粒體裂變（fission）的新觀點進行更加深入的研究。研究發現：在線粒體發生分裂（fission）過程中，Drp1的功能是必需的，而DNM1、DNM1和DNM3是可有可無的。

在該研究中，比較野生型以及DNM1-DNM3三敲除的成纖維細胞發現：任意選取的區域內兩種細胞線粒體的數目相似；線粒體的形態以及大小沒有明顯區別，不影響線粒體裂變（fission）（圖一）。同時，在DNM1-DNM3三敲除的成纖維細胞中，研究人員發現Drp1或者其他的參與線粒體融合（fusion）的因子包括mitofusin 1（MFN1），mitofusin 2（MFN2），或線粒體外膜蛋白電壓依賴性陰離子通道（VDAC）的蛋白水平都與野生型沒有差別。進一步分析DNM2的功能，對比野生型和DNM2敲降的成纖維細胞，結果顯示：任意選取的區域內兩種細胞線粒體的數目相似；線粒體的形態以及大小也沒有明顯區別。DNM2單敲和DNM1-DNM3三敲的成纖維細胞具有相似的表型，即DNM1-DNM3不參與線粒體分裂（fission）的過程。

圖一：DNM1-DNM3敲除不影響線粒體形態

如先前的報道一樣，當敲除Drp1時可以檢測到線粒體形態發生變化（圖二）。當在DNM1-DNM3三敲除的細胞中進一步敲降Drp1，可以觀察到：線粒體的數量減少約50%；線粒體區域和周長增加約兩倍。值得注意的是，Drp1敲低的效果在野生型和發動蛋白三敲除細胞中相似（圖二）。表明線粒體形態受到Drp1的強烈影響，與DNM1-DNM3無關。

圖二：Drp1敲降影響線粒體形態

那麼，Drp1是否是線粒體分裂所必需的呢？星形孢菌素處理細胞，可以誘發線粒體分裂。 用星形孢菌素處理野生型和DNM1-DNM3三敲除的成纖維細胞，都發現：線粒體碎片化；線粒體數量增加；面積減少。說明：星形孢菌素誘導的線粒體分裂在沒有DNM1-DNM3蛋白的情況下發生，DNM1-DNM3蛋白不參與線粒體分裂（圖三）。然而，當敲降Drp1時，野生型和DNM1-DNM3三敲除的成纖維細胞均對星形孢菌素誘導的裂變具有抗性。說明：星形孢菌素誘導的線粒體分裂需要Drp1，但不需要發動蛋白DNM1-DNM3（圖三）。

圖三：線粒體分裂需要Drp1，但不需要發動蛋白DNM1-DNM3

總之，研究人員認爲不管是在正常條件下或者是在刺激條件下，發動蛋白DNM1-DNM3不是線粒體分裂所必需的，而Drp1是線粒體分裂的關鍵作用因子。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41586-019-1296-y

參考文獻

1.McBride, H.M., M. Neuspiel, and S. Wasiak, Mitochondria: more than just a powerhouse. Curr Biol, 2006. 16(14): p. R551-60.

2.Meeusen, S.L. and J. Nunnari, How mitochondria fuse. Curr Opin Cell Biol, 2005. 17(4): p. 389-94.

3.Otsuga, D., et al., The dynamin-related GTPase, Dnm1p, controls mitochondrial morphology in yeast. J Cell Biol, 1998. 143(2): p. 333-49.

4.Cereghetti, G.M., et al., Dephosphorylation by calcineurin regulates translocation of Drp1 to mitochondria. Proc Natl Acad Sci U S A, 2008. 105(41): p. 15803-8.

5.Lee, J.E., et al., Multiple dynamin family members collaborate to drive mitochondrial division. Nature, 2016. 540(7631): p. 139-143.

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