瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的科学家发现，线粒体一种简单的形状变化能够帮助细胞均匀分布其线粒体DNA，从而解开了一个长期存在的谜团。

为了给细胞产生能量，线粒体携带自身的小基因组，称为线粒体DNA（mtDNA）。每个细胞含有数百到数千份mtDNA拷贝，它们被包装成称为拟核的簇。科学家们早就知道，拟核在线粒体内部呈现规律性的间隔分布。这种模式确保了当细胞分裂时mtDNA能够被传递下去，并且mtDNA上的基因在线粒体之间得到均匀表达。

线粒体和mtDNA功能出现问题，会对细胞乃至整个机体的健康产生深远影响。这些问题与代谢性和神经系统疾病（如肝功能衰竭和脑病）有关，也与衰老以及阿尔茨海默病、帕金森病等神经退行性疾病相关。

在确立了mtDNA对于线粒体正常功能的重要性之后，一个关键问题仍然没有答案：细胞是如何实现拟核如此精确且稳健的间隔分布的？

“先前提出的与线粒体融合、分裂或分子锚定相关的机制都无法解释这一现象，因为即使这些过程被破坏，拟核的间隔分布仍然得以维持，”EPFL实验生物物理学实验室（LEB）教授Suliana Manley说。

现在，Manley与LEB博士后研究员Juan Landoni共同领导了一项研究，该研究确定了mtDNA分布背后的机制：一种此前被低估的现象，称为“线粒体珠串化”。这是一种短暂的形态转变，在此过程中线粒体呈现出“串上的珠子”的外观。这种变化有助于分离mtDNA簇并重新分布拟核，从而确保非常均匀的间隔。

实时观察线粒体的行动

为了研究这一现象，研究人员结合了一系列先进的显微技术来观察细胞内的线粒体及其DNA。这些技术包括超分辨成像、关联光学和电子显微镜，以及诸如相衬显微镜等温和的成像方法。这些工具共同使研究团队能够追踪单个拟核、捕捉线粒体形状的快速变化，并解析其潜在的结构组织。

珠串化过程中发生了什么

活细胞成像显示，在细胞中珠串化事件每分钟可以发生数次。在这些事件中，线粒体暂时形成一系列均匀间隔的缢缩。值得注意的是，这些“珠子”之间的间隔与拟核之间的典型距离非常接近。大多数珠子的中心附近包含一个拟核，尽管珠子的形成也可以独立于mtDNA发生。

随着珠串化的进行，较大的拟核簇通常会分裂成较小的单元，这些单元占据相邻的珠子。在线粒体恢复到管状形状后，重新分布的拟核可以保持分离状态，从而建立起特有的规律性间隔。

研究人员还确定了珠串化的关键调控因子。通过遗传和药理学方法，他们发现进入线粒体的钙离子可以触发这一过程。线粒体内的膜结构有助于维持拟核的分离。当这两种机制中的任何一种被破坏时，拟核就会聚集在一起，而不是保持均匀分布。

被忽视的线粒体动力学“瑰宝”

“自从Margaret Reed Lewis在1915年首次描绘线粒体珠串化以来，它很大程度上被认为是一种与细胞应激相关的异常现象而被忽视，”Landoni说。“一个多世纪后的今天，它正显现为线粒体生物学核心中一个优雅且保守的机制。这种生物物理过程提供了一种简单且节能的方式来分布线粒体基因组。”

这项研究表明，细胞能够利用物理现象以及分子机器。理解这一机制及其调控，为揭示驱动mtDNA相关疾病的因素提供了宝贵的见解，并可能有助于指导未来的治疗策略。（生物谷Bioon.com）

参考文献：

Juan C. Landoni et al, Pearling drives mitochondrial DNA nucleoid distribution, Science (2026). DOI: 10.1126/science.adu5646.