细胞正在交换线粒体：这对我们的健康意味着什么？(Cells are swapping their mitochondria. What does this mean for our health?)
细胞正在交换线粒体：这对我们的健康意味着什么？(Cells are swapping their mitochondria. What does this mean for our health?)
研究人员正在研究能量工厂为何在细胞间移动，以及是否可以利用这一过程来治疗癌症和其他疾病。
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细胞生物学领域出现了一个意想不到的动态——具体来说，就是被称为线粒体的能量工厂。
自从19世纪中叶被发现以来，线粒体一直被认为是存在于细胞内部的细胞器。但现在的教科书描述似乎是错误的。大量研究正在挑战线粒体长期以来作为专属细胞器的形象。“它们可能是一种多细胞细胞器，” Jonathan Brestoff 说，他是一位在密苏里州圣路易斯华盛顿大学研究代谢的免疫学家。换句话说，这些本应是静态的能量工厂现在似乎是旅行专家，根据需要从一个细胞跳到另一个细胞。
癌细胞用受污染的线粒体“毒害”免疫系统这种“线粒体转移”已经在各种细胞和酵母、软体动物和啮齿动物等不同的生物体中观察到。“看到这一点真的令人兴奋，”佛蒙特大学伯灵顿分校的干细胞生物学家 Jeffrey Spees 说。
目前尚不清楚线粒体为何如此具有移动性。一些研究暗示，细胞在需要时会将它们的线粒体捐赠给邻居。在细胞紧急情况下，新到达的线粒体可能会启动组织修复，激发免疫系统或从死亡中拯救受损细胞。其他研究表明，线粒体转移可能成为癌细胞为获得优势而部署的致命武器。
但是，这对人类健康意味着什么仍然是个谜。伦敦帝国理工学院的免疫学家 Daniel Davis 说，研究人员尚未在人体内捕捉到这一过程，因此不确定它是否发生在人类身上。“我们还没有技术来见证这种情况的发生，”他说。
这一事实并没有阻止研究人员探索如何利用线粒体转移来治疗包括癌症和中风在内的多种疾病。
借来的细菌
在过去的三十年中，研究表明，线粒体不仅仅是将食物中的营养转化为能量的细胞动力源。它们是体内多个过程的关键参与者：它们引导保持细胞功能的对话，并有助于对有害入侵者的免疫反应。它们也出人意料地多样化。去年，研究人员发现，线粒体将自身分成两种不同的形式，以帮助细胞在营养匮乏的情况下生存1。三月份发表的另一项研究对整个人脑中线粒体的密度和类型进行了建模2。
人们认为，所有线粒体——无论在何种生物体中，在身体的任何部位——都来自同一个古老的细菌。大约15亿年前，这种漂流的细菌被一种微生物吞噬，最终产生了真核生物——包括我们在内的大群生物，它们的细胞有一个封闭的细胞核。
科学家们首次对线粒体DNA进行了精确的基因编辑经过几次进化上的曲折，这种借来的细菌变成了驱动代谢的细胞器。马萨诸塞州总医院的神经科学家 Kazuhide Hayakawa 说，线粒体的微生物起源可能有助于解释为什么它们比最初看起来更具活力，他研究线粒体转移如何帮助治疗中风。“线粒体有可能保留着像细菌一样从一个细胞传播到另一个细胞的古老能力，”他说。
2006年，Spees 和他的同事首次捕捉到线粒体从一个细胞跳到另一个细胞的景象3。该团队一直在试图了解实验室培养皿中干细胞的一种令人困惑的行为。这些细胞似乎在共享某种物理信息，告诉它们如何分化，并且认为线粒体参与其中。
为了研究线粒体的作用，研究人员将缺乏细胞器的肺癌细胞与来自骨髓的干细胞一起培养。由于干细胞的线粒体带有荧光蛋白标签，该团队拍摄了接下来发生的事情的延时视频。
颗粒状的黑白录像显示，干细胞射出它们的线粒体，然后被有缺陷的肺细胞吸收。捐赠后，肺细胞迅速恢复了分裂能力并将葡萄糖转化为能量。“看着它就像一个奇迹，”Spees 说。
从那时起，研究人员已经观察到线粒体在几种类型的细胞之间快速移动——肺、心脏、大脑、脂肪、骨骼等等。有时，线粒体沿着被称为隧道纳米管的短暂高速公路传播，这些高速公路在细胞之间形成并运输其他细胞货物。在其他情况下，线粒体以气泡状囊泡的形式进行运输或在血液中自由漂浮4（参见“三种运输方式”）。
线粒体如何传播基本上已经确定，但不太清楚的是为什么。华盛顿大学的细胞生物学家 Clair Crewe 说，研究人员正在了解到，这个过程通常是一种细胞损伤控制形式。
例如，一些研究表明，线粒体转移可能有助于细胞应对神经风暴。2016年，Hayakawa 和他的同事发现，在中风的小鼠中，称为星形胶质细胞的支持细胞将它们的线粒体传递给衰竭的神经元。有了这种线粒体的推动，神经元长出了分支并重新启动了它们的代谢过程，这提高了它们的生存机会。当研究人员抑制线粒体转移时，存活的神经元减少，这表明捐赠的细胞器是细胞恢复的关键5。但是 Hayakawa 说，线粒体的哪一部分结构或功能保护了细胞仍然未知。
纽约市哥伦比亚大学专门研究一种称为急性肺损伤的严重炎症性疾病的 Jahar Bhattacharya 说，肺细胞也可能受益于危机期间的线粒体推动。他和他的同事发现，在这种炎症的小鼠中，构成支持器官的结缔组织的基质细胞将其线粒体转移到肺细胞6。具有借用细胞器的细胞具有更高浓度的细胞燃料ATP，最终分布到附近未接受新线粒体的细胞。
这些患病肺比未接受外部线粒体的患病肺表现出更多的恢复迹象。 Bhattacharya 感到惊讶的是，他和他的团队亲眼目睹了线粒体转移。“我认为接下来的几个晚上我们都没有睡觉，这太令人兴奋了，”他说。
其他研究表明，转移的线粒体可能会增强伤口愈合。2021年，巴黎索邦大学的细胞生物学家 Anne-Marie Rodriguez 和她的同事发现，当研究人员将两种细胞类型放入培养皿中时，从人血中分离的血小板会将它们的线粒体转移到干细胞。在吸收线粒体后，干细胞释放出在形成新血管中起作用的分子。当将细胞放置在小鼠的皮肤伤口上时，这些损伤比单独接受干细胞或血小板的啮齿动物的损伤愈合得更快7。
研究人员怀疑，具有功能失调的线粒体的细胞甚至可能有方法从邻居那里请求健康的线粒体，尽管这一过程背后的确切机制仍然不明朗。“我们才刚刚开始了解所涉及的信号，”Crewe 说。
日常运作
除了在恢复中的作用外，研究人员还想知道线粒体转移是否是日常生物学的重要组成部分。初步证据表明，它可能有助于维持健康的组织。去年，西澳大利亚大学珀斯分校的再生生物学家 Minghao Zheng 和他的同事发现，某些类型的星形胶质细胞将其线粒体捐赠给小鼠大脑中排列血管的细胞8。当研究人员破坏这一过程时，血脑屏障变得渗漏，这表明线粒体转移有助于维持这种保护性膜屏蔽。 Zheng 和他的团队已经报告说，小鼠骨骼中的线粒体转移可以加速新血管的形成9。
Brestoff 和他的同事报告说，在健康的小鼠中，白色脂肪细胞将其线粒体转移到巨噬细胞——清除细胞碎片的白细胞。在肥胖小鼠中，穿梭细胞器的数量减少。肥胖小鼠也比健康的同类消耗更少的能量10。 Brestoff 说，这些细胞器可能有助于巨噬细胞在其代谢受到破坏时发挥作用。
在迷宫般的免疫系统世界中，捐赠的线粒体可能具有抗炎作用，特别是当它们被 T 细胞吸收时——T 细胞是抵御感染和疾病的白细胞。在细胞培养研究中，智利圣地亚哥安第斯大学的免疫学家 Patricia Alejandra Luz-Crawford 和她的同事发现，从干细胞接收线粒体的某些类型的 T 细胞产生的炎症分子较少。从患有类风湿性关节炎的人身上培养的干细胞比来自健康个体的干细胞传递给 T 细胞的线粒体更少，她说这可能导致与该疾病相关的慢性炎症11。
线粒体（显示为红色）通过来自骨髓细胞（左上）到对抗感染和癌症的 T 细胞（右下）的隧道纳米管运输。信用：Jeremy Baldwin
但是关于线粒体转移，还有许多未解答的问题，包括细胞器进入细胞后可能在做什么以及它们持续多久，Luz-Crawford 说。“仍然有很多神秘之处。”
Rodriguez 说，由于缺乏关于细胞转移线粒体的原因的详细信息，因此很难知道这些细胞交换在心血管疾病和肥胖等疾病中可能发挥的特定作用。In vivo 研究仅跟踪了少数几种组织类型中的线粒体，因此很难全面了解这些转移对健康产生的更广泛影响。