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.2008年1月23日；27(2):433-46.
doi:10.1038/sj.emboj.7601963。 Epub 2008年1月17日。

分裂和选择性融合通过自噬控制线粒体分离和消除

吉拉德·特威格 1, 阿尔瓦罗·埃洛扎, 安东尼·J·A·莫利纳, 希博·穆罕默德, 雅各布·D·威克斯特罗姆, 吉尔·沃尔泽, 林西·斯泰尔斯, 莎拉·海格, 斯蒂夫·凯茨, 盖伊·拉斯, 约瑟夫·阿尔罗伊, 吴敏（音）, 贝内迪克特·菲比, 袁均英教授, 裘德·T·迪尼, 芭芭拉·科基, Orian S Shirihai公司
附属公司

分裂和选择性融合通过自噬控制线粒体分离和消除

吉拉德·特威格等人。 欧洲工商管理硕士J. .

摘要

β细胞内去极化线粒体的积累与氧化损伤和糖尿病的发生有关。为了确定去极化线粒体的来源和去向，对单个线粒体进行光标记，并通过融合和裂变进行追踪。研究人员发现，线粒体以“接吻-奔跑”模式经历了频繁的融合和分裂周期。裂变事件通常会产生不均匀的子单元：一个子单元的膜电位增加（δpsi（m）），随后发生融合的可能性很高，而另一个子模块的膜电位降低，发生融合事件的可能性降低。总之，这种模式产生了一个非融合线粒体亚群，发现其降低了δpsi（m）和融合蛋白OPA1的水平。通过DRP1（K38A）或FIS1 RNAi抑制裂变机制，减少线粒体自噬，导致氧化线粒体蛋白的积累，呼吸减少，胰岛素分泌受损。蛋白质水解前阶段的自噬脉冲追踪和阻滞表明，自噬前线粒体失去delta psi（m）和OPA1，而OPA1的过度表达降低了线粒体自噬。总之，这些发现表明，分裂后选择性融合分离了功能失调的线粒体，并允许通过自噬去除线粒体。

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数字

图1
图1
一部分线粒体的融合能力降低。(A类)用mtPA-GFP（绿色）转导INS1细胞并用TMRE（红色）染色。mtPA-GFP分布在光活化后立即显示（2分钟内）（用虚线方框表示的面积），并在mtPA-GFF扩散的平台阶段显示（45分钟）。未出现GFP FI衰减（小于5%）的线粒体用箭头标记。上标尺，10μm；下比例尺5μm。(B类)融合事件导致mtPA-GFP在线粒体群体中扩散，导致其稀释和GFP FI值下降(n个=16）。(C类)非融合线粒体和融合线粒体之间TMRE FI的相对差异，根据全细胞平均值进行校准。(D类)表达mtPA-GFP的初级β细胞在七个不同区域（正方形）被光激活，并在2分钟后和培养2小时后再次成像。比例尺，10μm。*对<0.001。
图2
图2
随着时间的推移，追踪单个线粒体，可以发现融合和裂变是成对的。(A类)一种表达mtPA-GFP并与TMRE联合标记的INS1细胞。两个线粒体在光激活后20秒融合（如“20秒”箭头所示）。然后，在两极之间建立电压差（60–120秒），然后将其物理分离（120秒）。该模式在性质上与图3Bi所示相似。比例尺，2μm。(B类)单个线粒体的融合和裂变时间图。用mtPA-GFP标记的单个线粒体被监测1小时，并记录融合和裂变的发生。INS1和COS7细胞中的线粒体分别在融合后、连接状态下花费77秒（±71秒）和87秒（±78秒），在孤立、分裂后状态下平均花费1434秒和1172秒。(C类)核聚变引发裂变。聚变事件发生后不同间隔裂变事件发生的累积概率（给定时间间隔后发生的所有裂变事件的分数）。数据拟合为双曲线函数，表示两个事件（INS1，R（右）2=0.98; COS7、，R（右）2=0.96). 直线显示了预测的裂变事件概率随时间的线性增长率，如果裂变独立于聚变事件发生，则可以预期该增长率（虚线INS1，R（右）2=0.77; COS7、，R（右）2=0.84; 见补充数据）。(D类)裂变不会引发聚变。裂变事件发生后不同间隔发生聚变事件的累积概率。数据点拟合成线性关系(R（右）2=0.92），如果聚变独立于裂变发生（分别为0.05和0.06%/秒；见补充数据）。
图3
图3
单个裂变事件的代谢结果。(A类)COS7细胞中的线粒体分裂产生两个子线粒体，TMRE/GFP FI比率差异为～28%（～Δ=9 mV）。相对GFP FI变化最小（Δ=3.4%）。为了清楚起见，显示了裂变前60秒和裂变后160秒的伪色比率。比例尺，2μm。(B类)Δψ图表米典型裂变事件随时间变化；（i） 裂变导致一个单元的暂时去极化，（ii）裂变导致一个单元的永久去极化，（iii）裂变导致超极化子线粒体和具有裂变前电位的线粒体的产生。(C类)平均Δψ米裂变前（左，灰色）和裂变后（右，实心和空心圆圈分别表示去极化和超极化线粒体）。只有Δψ的裂变事件米包括两个线粒体的连续追踪(n个=7).
图4
图4
聚变-裂变事件的后果。(A类)四个不同实验（i–iv）中线粒体追踪的示意图和相应的Δψ米痕迹（iv）。彩色箭头表示裂变期间超极化（红色）和去极化（绿色）子体的生成。请注意，在裂变事件之后，融合（黑色箭头）最好发生在超极化子线粒体中。(B类)去极化线粒体在数小时的时滞后选择性地靶向自噬。AP用LC3:GFP标记，后者从胞浆转运到AP的隔离膜。MTR是一种膜电位染料，可对线粒体进行不可逆染色，并在去极化过程中保留。在检测APs含量之前，MTR用于在不同时间点对INS1细胞（14分钟，50 nM）中的线粒体进行脉冲标记。在设定的检测时间，用胃蛋白酶抑制素A（10μM）和E64d（10μM）处理细胞30分钟，以阻止AP内的消化，然后进行共焦显微镜检查（见材料和方法的示意图）。此处使用MTR脉冲报告Δψ米在染色期间。虽然AP外的线粒体显示出明亮的MTR荧光，但位于AP内的线粒体的荧光随MTR脉冲时间的不同而变化。请注意，如果在检测到自噬前1小时用MTR脉冲处理AP内的线粒体，则线粒体的MTR FI变暗（圆形，顶部面板），但如果在检测出自噬之前24小时脉冲处理，线粒体的MTR-FI变亮（圆形，底部面板）。比例尺，10μm。(C类)MTR FI的分布（以Δψ给出米)在自噬之前的不同时间内，AP-磷酸化线粒体的数量增加。值是相对于单元格的平均MTR FI。在x个-轴，零值表示平均Δψ米正值代表去极化线粒体。
图5
图5
AP内非融合线粒体和线粒体OPA1水平降低。(A类)INS1细胞线粒体OPA1的相对免疫荧光与融合能力相关。单元格(n个=6）被光激活（约占细胞线粒体质量的10–15%），然后在固定前返回培养箱2小时。根据线粒体分享并稀释光转换mtPA-GFP的能力，线粒体被分类为融合线粒体(n个=54）其中GFP FI低于平均值的2倍且未融合(n个=10），其中GFP-FI至少比平均值高200%（以与图1所述相同的方式）。在每个细胞中，未融合线粒体的OPA1 FI被归一化为通过融合稀释mtPA-GFP的线粒体的OPA1FI。OPA1 FI在非融合线粒体中减少(对=0.003). 显示了一组mtPA-GFP、mtDsRed和OPA1免疫染色的FI编码图像。比例尺，2μm。(B类)OPA1 FI，而不是mtDsRed FI，在经历自噬的线粒体中减少。表达mtDsRed和LC3:GFP的INS1细胞用0.2μM巴非霉素（45分钟）或胃蛋白酶抑制素a和E64d的混合物（90分钟）处理并固定。通过mtDsRed和LC3:GFP的共定位来定义AP内的线粒体。APs中的OPA1 FI被归一化为位于APs外的线粒体中的FI（mtDsRed阳性的细胞器和阈下GFP FI）。AP中的OPA1 FI为50%(*对<0.001）和54%(**对=0.003）。AP内的线粒体与AP外的线粒体具有相似的（96%）mtDsRed FI(对=0.47). 比例尺，2μm。(C类)OPA1过度表达对含AP线粒体数量的影响。在用OPA1过度表示或对照（mitoPA-GFP）的腺病毒转导后48–72小时，对已经表达LC3:GFP和mtDsRed的INS1细胞进行成像。OPA1过度表达（OE，n个=6）归一化为对照(*对=0.001). 图片显示了每组具有代表性的细胞。红色，mtDsRed；绿色，LC3:GFP。在对照细胞中，注意AP与线粒体的共定位。比例尺，10μm。
图6
图6
抑制分裂可减弱线粒体特异性自噬（线粒体吞噬）。(A类)的共焦图像FIS1系统RNAi、DRP1-DN和对照细胞共表达AP标记LC3:GFP（绿色），并用MTR染色（红色、对照和FIS1系统RNAi组）或mtDsRed（红色，DRP1-DN），并用胃蛋白酶抑制素A和E64d处理以阻止晚期AP的消化。放大的区域FIS1系统RNAi细胞显示有线粒体和无线粒体的AP（分别为白色和蓝色圆圈）。比例尺，5μm。(B类)INS1细胞表达AP的线粒体定量分析FIS1系统RNAi或DRP1-DN。在每一组中，含AP的线粒体的数量均与其对照组一致，并且发现存在显著差异(*对<0.001;**对<0.001). (C类)改变分裂不会损害内质网自噬和AP或溶酶体质量。表达LC3:GFP的INS1细胞用ER Tracker染色以评估含AP内质网。对照组和溶酶体中含AP的内质网数量没有显著差异FIS1系统RNAi细胞(对=0.51;n个=11）。溶菌酶传感器染色（75 nM，30分钟）显示对照组和FIS1系统RNAi细胞(对=0.21）。DRP1-DN单元中的总AP数与对照相似(n个=11,对=0.53).
图7
图7
抑制裂变或自噬导致蛋白质氧化损伤增加。(A类)线粒体中氧化线粒体蛋白的水平FIS1系统RNA干扰(n个=3），DRP1-DN(n个=4）及其各自的控制单元。印迹检测氨基酸侧链上的羰基（Oxiblot分析，见材料和方法）。负荷控制CIII，线粒体复合物III核心I(*对<0.03,**对<0.04). (B类)将共表达DRP1-DN和mtDsRed（红色）的COS7细胞固定、渗透并用硝基酪氨酸单克隆抗体（绿色）染色。对照细胞感染mtPA-GFP慢病毒。DRP1-DN细胞线粒体中硝基酪氨酸免疫反应增强，尤其是在远端和扩大端。比例尺，15μm（另请参见补充图S9）。(C类)击倒FIS1不会增加ROS产量。ROS生产FIS1系统DHE FI在不同葡萄糖水平下测量RNAi和对照细胞。用染料负载细胞，在改变葡萄糖浓度前和10分钟后测量FI（NS，无显著性；对=0.5;*对<0.001). (D类)抑制自噬导致蛋白质氧化损伤增加。用巴非霉素处理INS1细胞（通过阻止与溶酶体融合来阻止自噬，0.1μM持续3小时）会导致线粒体中氧化蛋白的积累，这表现为分离线粒体中羰基化氨基酸的水平增加(E类)抑制自噬产生Δψ米异质性。用3-MA处理INS1细胞（2 mM处理5天），然后用TMRE和丝裂原追踪绿染色。红/绿比值图代表Δψ米在去极化线粒体呈蓝色的地方显示为假彩色。注意亚细胞Δψ的增加米异质性和低TMRE去极化单元的外观（另请参见补充图S4A–C）。比例尺，5μm。
图8
图8
代谢改变伴随着裂变和自噬减少。(A类)FIS1和DRP1敲低降低了FIS1系统RNAi和DRP1-DN与对照组比较(n个=每组4人；葡萄糖=11 mM）。3-MA对INS1细胞自噬的抑制作用（2 mM，5天，n个=4）和C2C12细胞（1 mM，5天，n个=4）呼吸能力显著下降。ATG5缺乏的MEF细胞(n个=4）与对照MEF细胞相比，呼吸能力显著降低。使用5μM FCCP或100μM DNP测试最大呼吸(*对<0.001,**对<0.04). (B类)细胞色素氧化酶（COX I）mtDNA编码亚单位I在感染INS1细胞中的表达FIS1系统RNAi和控制RNAi慢病毒，并在1周后进行测试。(C类)GSIS输入FIS1系统RNAi和对照RNAi细胞(n个=每列5，*对<0.05). 数值标准化为每个孔中的细胞数，表示30分钟的刺激。
图9
图9
线粒体生命周期模型，整合线粒体动力学和周转。线粒体在融合后状态（网络）和分裂后状态（孤立）之间循环移动。聚变是短暂的，会引发裂变。裂变事件发生后，子线粒体可能保持完整的膜电位（红线）或去极化（绿线）。如果它去极化，除非它再极化，否则不太可能进行后续融合。在去极化和孤立几个小时后，线粒体通过自噬被清除。
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参考文献

    1. Alavi MV、Bette S、Schimpf S、Shuettauf F、Schraermeyer U、Wehrl HF、Ruttiger L、Beck SC、Tonagel F、Pichler BJ、Knipper M、Peters T、Laufs J、Wissinger B（2007）小鼠Opa1基因的剪接位点突变是常染色体显性视神经萎缩的病理学特征。大脑130:1029–1042-公共医学
    1. Arimura S、Yamamoto J、Aida GP、Nakazono M、Tsutsumi N（2004）《核仁分布不均的植物线粒体的频繁融合和分裂》。美国国家科学院院刊101:7805–7808-项目管理咨询公司-公共医学
    1. Barsoum MJ、Yuan H、Gerenceser AA、Liot G、Kushnareva Y、Graber S、Kovacs I、Lee WD、Waggoner J、Cui J、White AD、Bossy B、Martinou JC、Youle RJ、Lipton SA、Ellisman MH、Perkins GA、Bossy-Wetzel E（2006）一氧化氮诱导的线粒体分裂由神经元中的动力学相关GTPases调节。欧洲工商管理硕士J 25:3900–3911-项目管理咨询公司-公共医学
    1. Chan DC（2006）《线粒体：疾病、衰老和发育中的动态细胞器》。单元格125:1241–1252-公共医学
    1. Chen H，Chomyn A，Chan DC（2005）融合中断导致线粒体异质性和功能障碍。生物化学杂志280:26185–26192-公共医学

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