填补空白 | 检测和量化线粒体结构变化的新方法

这一进展为研究包括阿尔茨海默氏症、帕金森症和其他癌症在内的线粒体被破坏的疾病提供了一种新方法。

　　

   

   

图像:通过冷冻电子断层成像捕捉到的细胞内部，并覆盖了线粒体内部(粉红色)、外部(紫色)和内质网(蓝色)膜表面的三维重建。    

资料来源:斯克里普斯研究公司

来自斯克里普斯研究中心的科学家们提出了一种先进的基于成像的方法，为研究线粒体提供了一种新的方法，线粒体被称为细胞的“发电站”。

在2023年2月14日发表在《细胞生物学杂志》(Journal of Cell Biology)上的报告中，科学家们描述了一套技术，可以成像和量化线粒体内部哪怕是细微的结构变化，以及这些变化与细胞中正在进行的其他过程的相关性。

线粒体不仅参与能量的产生，还参与其他几个关键的细胞功能，包括细胞分裂和对各种类型的压力的细胞保存反应。线粒体功能障碍已经在许多疾病中被观察到，包括阿尔茨海默病、帕金森病和不同的癌症，研究人员渴望开发出可以逆转这些功能障碍的治疗方法。但是用于研究线粒体结构细节的科学工具是有限的。

“我们现在有了一个强大的新工具包，可以检测和量化线粒体的结构和功能差异——例如，在疾病和健康状态下”。

这项研究的共同第一作者是Grotjahn实验室成员Benjamin Barad博士，以及Michaela Medina博士。

线粒体是存在于动植物细胞内的众多膜结合分子机器或“细胞器”之一。每个细胞通常有数百到数千个线粒体，它们有自己的小基因组，并且具有独特的结构，包括外膜和发生关键生化反应的波状内膜。科学家们知道，线粒体结构的外观可能会发生巨大变化，这取决于线粒体正在做什么，或者细胞中存在什么压力。因此，这些结构变化可以成为细胞状况的非常有用的标记，尽管到目前为止还没有一种很好的方法来检测和量化它们。

在这项研究中，Grotjahn的团队组合了一个计算工具包来处理来自一种名为冷冻电子断层扫描(cryo-ET)的显微镜技术的成像数据，这种技术本质上是使用电子而不是光对生物样本进行三维成像。研究者的
他们称之为“surface morphometrics toolkit”，能够对单个线粒体的结构元素进行详细的测绘和测量。这包括内膜的弯曲和膜间的间隙——所有这些都是重要线粒体和细胞事件的潜在有用标记。

Barad说:“从本质上讲，它使我们能够将我们从低温et中获得的线粒体的美丽3d图像转化为敏感的定量测量，例如，我们可以利用它来帮助确定疾病的详细机制。”

该团队通过使用该工具包来绘制线粒体上的结构细节，当它们的细胞受到内质网应激(一种经常在神经退行性疾病中看到的细胞应激)时。他们观察到，关键的结构特征，如内膜的曲率，或内外膜之间的最小距离，在这种压力下发生了可测量的变化。

随着他们成功地对新工具包进行了原理验证演示，Grotjahn实验室现在将使用它来更详细地研究线粒体如何应对细胞压力或由疾病、毒素、感染甚至药物引起的其他变化。

“例如，我们可以比较药物对细胞中线粒体的影响与未治疗的线粒体的影响。”“而且这种方法不仅限于线粒体，我们还可以用它来研究细胞内的其他细胞器。”