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Science:重大发现!内质网与线粒体的接触决定着线粒体的复制、分裂和分布

来源:生物谷 2016-07-18 07:31

2016年7月18日/生物谷BIOON/--线粒体是我们细胞内产生化学能量和维持它们自己的DNA的细胞器。衰老、神经退行性疾病和代谢疾病都与线粒体相关联。

在一项新的研究中,来自美国加州大学戴维斯分校的研究人员证实人细胞如何控制线粒体中的DNA合成,以及如何将这种合成与线粒体分裂偶联在一起。这是一项具有深远影响的重大发现。相关研究结果发表在2016年7月15日那期Science期刊上,论文标题为“ER-mitochondria contacts couple mtDNA synthesis with mitochondrial division in human cells”。

论文通信作者、加州大学戴维斯分校分子与细胞生物学系主任Jodi Nunnari教授说,“这对人类疾病产生深刻的影响。”

在很早很早之前,线粒体是一种细菌进入其他的细胞中并且再也没有离开过而形成的,因而保留自己的DNA。所有真核细胞---植物、动物和真菌---含有线粒体,它允许有氧生物从呼吸中获得能量。

在人细胞中,线粒体是细长的蛇形管,具有包装在被称作类核(nucleoid)的结构中的单条染色体,而且每个细胞中,有数百到数千个线粒体分布着。尽管细胞核中的DNA来自父母双方,但是你的线粒体DNA仅遗传自你的母亲。

Nunnari说,在细胞分裂时,细胞核DNA的复制和分离受到严格控制,然而,线粒体DNA的合成和分裂“要宽松很多”。

细胞如何决定所有的线粒体DNA拷贝应该分布在哪里呢?如果是这样的话,它们的分裂是如何控制的呢?

接触点是至关重要的

博士后研究员Samantha Lewis和本科生Lauren Uchiyama利用荧光染料标记线粒体、它们的DNA和内质网,即在整个细胞内扩散的管状网络,然后利用显微镜进行观察和分析。

他们发现分裂中的线粒体染色体所在的位置使得内质网与该线粒体的外面接触。这些接触点也是线粒体分裂为两个子线粒体的地方,这一过程有点像一种蛋白套索套在线粒体的周围,挤压它,直到它一分为二。

Nunnari说,“内质网与线粒体接触,而且它们接触的地方就是这些线粒体分裂的地方。”

Nunnari说,这两个细胞器之间的接触允许线粒体DNA复制和分裂。这种DNA分裂紧接着与线粒体本身的分裂和子线粒体DNA在细胞周围的分布偶联在一起。

Nunnari说,“在整个细胞中,有上百个这样的接触点,从而决定着线粒体DNA分裂发生的地方和线粒体如何在细胞中分裂,但是线粒体DNA分裂偏好地发生在一小部分发生线粒体DNA复制的接触点。这表明这种分裂具有更高层级的控制,而不是简单地随机进行。”

这一发现对理解细胞功能、衰老和一系列疾病产生广泛影响。Nunnari注意到,它完全源于基础研究。

她说,“通过研究任何一种特定的疾病,我们不会获得这一发现,它是基于发现的研究。不过,这会极大地影响人类的健康。”(生物谷 Bioon.com)

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ER-mitochondria contacts couple mtDNA synthesis with mitochondrial division in human cells

Samantha C. Lewis, Lauren F. Uchiyama, Jodi Nunnari

doi:10.1126/science.aaf5549
PMC:
PMID:

Mitochondrial DNA (mtDNA) encodes RNAs and proteins critical for cell function. In human cells, hundreds to thousands of mtDNA copies are replicated asynchronously, packaged into protein-DNA nucleoids, and distributed within a dynamic mitochondrial network. The mechanisms that govern how nucleoids are chosen for replication and distribution are not understood. Mitochondrial distribution depends on division, which occurs at endoplasmic reticulum (ER)–mitochondria contact sites. These sites were spatially linked to a subset of nucleoids selectively marked by mtDNA polymerase and engaged in mtDNA synthesis—events that occurred upstream of mitochondrial constriction and division machine assembly. Our data suggest that ER tubules proximal to nucleoids are necessary but not sufficient for mtDNA synthesis. Thus, ER-mitochondria contacts coordinate licensing of mtDNA synthesis with division to distribute newly replicated nucleoids to daughter mitochondria.

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