唐鸿云/黄小帅团队发现全新亚细胞结构——线粒体囊，对精子活性至关重要

西湖大学生命科学学院唐鸿云团队与北京大学跨学部生物医学工程系黄小帅团队合作，在 Nature Cell Biology 期刊发表了题为：Mitopherogenesis, a form of mitochondria-specific ectocytosis, regulates sperm mitochondrial quantity and fertility 的研究论文。

该研究利用模式生物秀丽隐杆线虫，首次鉴定到了一种特异性包裹线粒体的细胞外囊泡，并将该囊泡命名为——线粒体囊（mitopher）。线粒体囊的产生（mitopherogenesis）是精子中线粒体数量调控的主要机制，可能关键性调控精子的能动性和可育性。

这一原创性发现为理解精子发育中线粒体数量控制、不同细胞间线粒体交流及胞外囊泡的新功能带来全新的理解。

1、精子发育过程中，其胞内线粒体数量受到严格调控

为了解析雄性配子中线粒体数量是否需要维持在一个相对恒定的范围，作者通过荧光染色及三维电镜两种成像手段对秀丽隐杆线虫雄虫生殖腺中正在完成第二次减数分裂的精细胞和成熟精子中线粒体含量和数量进行了分析，他们发现成熟精子中的线粒体总体积明显低于精细胞，并且线粒体数量也显著减少（图1）。通过三维电镜定量细胞内线粒体的绝对数量，结果显示平均每个成熟精子中含有57个线粒体，而精细胞中约含有90个线粒体，平均减少了33个线粒体（图1）。

这些结果证明线虫精子发育过程中，其线粒体数量受到严格调控，维持在一个合适范围内。由于线虫的精细胞中不含有溶酶体，因此常用的线粒体清除方式—线粒体自噬无法解释精细胞发育过程中线粒体数量的明显下降。这一结果提示在精子发育过程中，可能存在其它方式来调节线粒体数量。

图1. 正在完成第二次减数分裂的精细胞和成熟精子中线粒体体积和数量统计

二、精细胞生成线粒体囊将线粒体外排至细胞外空间

既然线虫精子发育过程中大约三分之一的线粒体“消失”了，那么精细胞到底是以什么方式减少其内线粒体数量的？

通过透射电子显微镜（TEM）和三维电子显微镜（3D-EM）等先进成像技术，研究人员惊奇地发现在精细胞胞外空间存在一种以前未被定义的特异性含有单个线粒体的细胞外囊泡，作者将其命名为线粒体囊（mitopher）（图2）。此外，研究人员通过多种先进的活体成像技术观察到了精细胞囊吐（ectocytosis）产生线粒体囊的动态过程。他们发现细胞质膜首先形成向外的芽突，包裹一个健康的线粒体，然后迅速芽吐生成线粒体囊。

线粒体囊与之前报道过的另外两类携带细胞器的囊泡，迁移体（migrasome）及exopher，在生物合成机制、生成速度、大小及货物特异性上有明显区别，因此是一类全新的包裹细胞器的囊泡（图3）。那么线粒体囊的产生，是否是精细胞线粒体数量调控的最主要方式呢？

为了回答这个关键问题，论文共同第一作者盛丹莉做了大量极富创造性的尝试和优化，最终通过使用显微操作技术和流式分析相结合的方式，对单个精细胞在发育过程中产生的“线粒体囊”数量进行统计，发现平均每个精细胞可以产生约29个“线粒体囊”，即外排29个线粒体，这说明“线粒体囊”的产生是精细胞中最主要的线粒体数量调节机制。

图2. 精细胞通过芽吐生成“线粒体囊”将线粒体排出至胞外空间

图3. 线粒体囊与迁移体及exopher的比较

三、线粒体囊的发生是一个高度受发育信号调控的过程—胞外蛋白酶触发精细胞生成“线粒体囊”

在探究触发线粒体囊生成的体内信号时，研究人员进行了大量的突变体以及小分子筛选，最终发现了生殖腺内的蛋白酶可以作为发育信号触发精细胞释放线粒体囊，这一过程部分依赖于酪氨酸激酶SPE-8的作用（图4）。此外，研究人员发现参与货物转运的肌球蛋白Myosin VI在线粒体囊的产生过重中具有负向调控作用，而肌动蛋白Actin的聚合则是生成线粒体囊所必需的（图4）。这些结果为初步阐释了线粒体囊发生的细胞过程和分子机制。

图4. 精细胞生成“线粒体小体”的调控机制

四、线粒体囊的正常产生对精子的能动性和可育性至关重要

最后，研究人员想探究线粒体囊的形成具有何种重要的生理意义。他们发现：与目前已知囊泡携带损伤线粒体不同，线粒体囊向外转运健康线粒体，其在精子线粒体数量的精确调控中起着关键作用。抑制线粒体囊的发生导致精子中线粒体积累，进而影响精子的运动能力和可育性。研究人员发现线粒体囊的产生减少的突变体精子，虽然具有正常的伪足形态，但存在很高比例的精子无法运动的情况，且这些精子中均含有更多的线粒体。因此，线粒体囊的产生关键性调控精子中线粒体数量，这一生物学过程的正常进行可能是精子获得能动性的前提。同时，线粒体囊产生减少的突变体雄虫，相比于野生型，产生的后代数明显减少，进一步证明了线粒体囊的正常生成对于产生可育的精子十分重要。

综上，线粒体囊是一种特异性包裹线粒体的细胞外囊泡。线粒体囊的发生代表了一种以往未描述的线粒体特异性芽吐过程，揭示了精细胞发育期间线粒体数量调控的机制。

论文通讯作者唐鸿云研究员强调这一发现的重要性时表示，线粒体囊及其调控机制的发现，是在现有线粒体数量调控机制上开辟出的一个新的分支。这项研究丰富了我们对线粒体行为的基础认知，也有望对精子不育提供新的机制性理解。线粒体囊很有可能是多种细胞排出线粒体的重要方式，这些携带健康线粒体的结构很可能会在细胞间线粒体（及线粒体遗传物质）交换及信号交流过程中也发挥重要作用。该研究为未来探索“线粒体囊”在多种生理活动中的作用开启新篇章，线粒体交换可能作为一种古老的信号交流方式有许多未知的重要功能和惊喜等待我们去发现。

西湖大学生命科学学院唐鸿云研究员和北京大学跨学部生物医学工程系助理教授黄小帅为论文共同通讯作者；西湖大学唐鸿云课题组博士后刘朋、博士研究生时静和盛丹莉为论文共同第一作者。