撰文丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

線粒體（mitochondrial）是真核細(xì)胞中的重要細(xì)胞器，其與真核細(xì)胞之間的共生關(guān)系大約可追溯到 17 億年前。這種共生關(guān)系對(duì)于整個(gè)真核生物域的進(jìn)化、多樣化以及生存至關(guān)重要。

經(jīng)過幾十年的研究，線粒體早已超越了其作為細(xì)胞內(nèi)“能量工廠”的刻板印象，人們認(rèn)識(shí)到線粒體還在細(xì)胞凋亡、分化、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、衰老以及發(fā)育時(shí)機(jī)等多種細(xì)胞過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。然而，哺乳動(dòng)物發(fā)育在多大程度上依賴線粒體，仍是一個(gè)懸而未決且基礎(chǔ)性的問題。

2025 年 6 月 10 日，德克薩斯大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心吳軍教授團(tuán)隊(duì)在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊Cell上發(fā)表了題 為： Unraveling mitochondrial influence on mammalian pluripotency via enforced mitophagy 的研究論文。

該研究開發(fā)了一種強(qiáng)制線粒體自噬新技術(shù)，能夠在體外或體內(nèi)減少或完全去除線粒體，使用該技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)揭示了線粒體對(duì)細(xì)胞多能性的影響 ，還發(fā)現(xiàn)了線粒體數(shù)量的降低會(huì)導(dǎo)致著床前小鼠胚胎發(fā)育延遲。這項(xiàng)研究為探索線粒體在發(fā)育、疾病和跨物種生物學(xué)中的作用開辟了新途徑，還有望促進(jìn)線粒體疾病的研究和療法開發(fā)。

最近，有研究人員構(gòu)建了人類與黑猩猩之間的種間復(fù)合（或雜交）多能干細(xì)胞（PSC），為源自細(xì)胞核基因組（nDNA）差異的人類特有特征提供了見解。然而，該系統(tǒng)尚未被用于研究線粒體基因組（mtDNA）的差異。

在過去的約 600 萬至約 1800 萬年里，人科動(dòng)物（即類人猿）的線粒體基因組（mtDNA）變得越來越不同，導(dǎo)致 mtDNA 中出現(xiàn)了數(shù)千種自然發(fā)生的核苷酸變化。通過生成具有物種特異性線粒體含量的跨物種復(fù)合多能干細(xì)胞，我們可以評(píng)估線粒體基因組的進(jìn)化變化對(duì)多能細(xì)胞及其后代的影響。

在這項(xiàng)最新研究中，研究團(tuán)隊(duì)利用細(xì)胞中的線粒體自噬（mitophagy）途徑（細(xì)胞通常通過該途徑來處理老化或受損的線粒體），開發(fā)了一種名為強(qiáng)制線粒體自噬（enforced mitophagy）的方法，能夠降解細(xì)胞中的所有線粒體。該方法首先在細(xì)胞內(nèi)表達(dá) PRKN 蛋白，這是一種 E3 泛素連接酶，可被招募到功能失調(diào)的線粒體中以促進(jìn)線粒體自噬，然后使用用寡霉素 A 和抗霉素 A（A/O）處理細(xì)胞，這兩種線粒體解偶聯(lián)劑可使線粒體膜去極化，從而在表達(dá) PRKN 的細(xì)胞中刺激廣泛的線粒體自噬。

研究團(tuán)隊(duì)利用該技術(shù)生成了不含線粒體的多能干細(xì)胞（PSC），用于研究線粒體在細(xì)胞多能性和胚胎發(fā)育中的作用。

結(jié)果顯示，通過強(qiáng)制線粒體自噬去除了所有線粒體的多能干細(xì)胞會(huì)停止分裂，但其仍可在沒有線粒體的情況下在培養(yǎng)皿中存活 3-5 天時(shí)間。研究團(tuán)隊(duì)將該策略進(jìn)一步應(yīng)用于另外三種多能干細(xì)胞系——小鼠胚胎干細(xì)胞（mESC）、小鼠上胚層干細(xì)胞（mEpiSC）以及攜帶導(dǎo)致線粒體腦肌病伴乳酸血癥和卒中樣發(fā)作（MELAS）的致病性線粒體 DNA 突變的人誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（hiPSC），均顯示了類似結(jié)果。這表明了強(qiáng)制線粒體自噬可作為一種跨物種和細(xì)胞類型的消除細(xì)胞內(nèi)線粒體的可行工具，將來可能為線粒體疾病提供新的研究和治療方案。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步評(píng)估了去除了所有線粒體的多能干細(xì)胞的核基因表達(dá)情況，結(jié)果顯示，核基因組中有 788 個(gè)基因變得不那么活躍，有 1696 個(gè)基因變得更活躍。對(duì)受影響基因的進(jìn)一步分析顯示，多能干細(xì)胞似乎保留了分化和形成其他細(xì)胞類型的能力，還彌補(bǔ)了線粒體的缺失，接管了能量產(chǎn)生和其他一些通常由線粒體執(zhí)行的功能。

研究團(tuán)隊(duì)將人類多能干細(xì)胞與人類的最近親——非人人科動(dòng)物（黑猩猩、倭黑猩猩、大猩猩和紅毛猩猩）的多能干細(xì)胞進(jìn)行融合，形成跨物種復(fù)合細(xì)胞，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這些復(fù)合細(xì)胞會(huì)選擇性去除非人人科動(dòng)物的線粒體基因組，只保留人類的線粒體基因組。

接下來，研究團(tuán)隊(duì)使用強(qiáng)制線粒體自噬，預(yù)先去除了人類多能干細(xì)胞中的所有線粒體，然后將其與非人人科動(dòng)物（即類人猿，包括黑猩猩、倭黑猩猩、大猩猩和紅毛猩猩）的多能干細(xì)胞分別融合，每種融合的多能干細(xì)胞都具有人類和一種非人人科動(dòng)物的核基因，但只有一種非人人科動(dòng)物的線粒體基因。利用這些細(xì)胞，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，盡管已經(jīng)過數(shù)百萬年的進(jìn)化分離，人類與這些非人人科動(dòng)物的線粒體在支持多能性方面大體上是可以互換的，它們?cè)趶?fù)合細(xì)胞中只引起了細(xì)微的物種特異性轉(zhuǎn)錄和代謝變化。

最后，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于過度激活 PINK1-PRKN 線粒體自噬通路的轉(zhuǎn)基因強(qiáng)制線粒體自噬方法，該方法能夠顯著降低小鼠胚胎中的線粒體數(shù)量，然后將這些線粒體數(shù)量減少的小鼠胚胎植入母鼠體內(nèi)進(jìn)行發(fā)育研究，結(jié)果顯示，如果裝床前胚胎丟失了約 65% 的線粒體，會(huì)導(dǎo)致著床失敗，而丟失三分之一線粒體的胚胎則會(huì)出現(xiàn)發(fā)育延遲，但仍能順利著床，并在受精后 11-12 天將線粒體數(shù)量調(diào)節(jié)回正常水平，也能夠順利完成正常發(fā)育過程。

該研究的核心發(fā)現(xiàn)：

• 強(qiáng)制線粒體自噬，可使多能干細(xì)胞（PSC）中的線粒體耗竭；

• 人類-類人猿的種間復(fù)合多能干細(xì)胞具有選擇性線粒體 DNA 貢獻(xiàn)的特征；

• 具有物種特異性線粒體 DNA 的人類-類人猿復(fù)合多能干細(xì)胞表現(xiàn)出細(xì)微表型差異；

• 減少線粒體數(shù)量會(huì)減緩胚胎著床前的發(fā)育進(jìn)程。

總的來說，該研究利用 PINK1/PRKN 通路，開發(fā)了一種強(qiáng)大的強(qiáng)制線粒體自噬方法，能夠在體外和體內(nèi)減少或完全去除線粒體，該方法為探索線粒體在細(xì)胞功能、組織和器官發(fā)育、衰老和物種進(jìn)化中所發(fā)揮的不同作用，提供了新的研究工具。

論文鏈接：

https://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(25)00572-0