细胞内这种奇特的“珍珠串”运动，或改变我们对疾病的理解

研究概要：线粒体不仅产生能量，它们还以一种出人意料且优雅的方式精心组织自身的DNA。科学家发现，一种长期被忽视的称为“线粒体珍珠串”的现象（线粒体短暂形成珠状结构），有助于均匀分布线粒体DNA簇。

细胞内奇特的“珍珠串”运动，可能是维持线粒体DNA与健康平衡的隐藏机制。

线粒体常被称为细胞的“发电厂”，因为它们产生细胞运作所需的能量。为了支持这一功能，它们携带自己的遗传物质，即线粒体DNA。

每个细胞包含数百到数千个线粒体DNA拷贝。这些拷贝被组织成称为“拟核”的紧凑结构。科学家早就观察到，这些拟核在线粒体内以规则的模式间隔分布。这种组织有助于确保细胞分裂时线粒体DNA被可靠地传递，并且其基因在线粒体中均匀表达。

当线粒体或其DNA功能失常时，后果可能很严重。这些功能紊乱与代谢和神经系统疾病（如肝衰竭和脑病）以及阿尔茨海默病和帕金森病等衰老相关疾病有关。

鉴于线粒体DNA的重要性，研究人员一直试图了解细胞如何维持拟核如此一致的间距。答案一直不清楚。

“与线粒体融合、分裂或分子拴系相关的机制都无法解释这一点，因为即使这些过程被破坏，拟核间距仍然得以维持，”洛桑联邦理工学院实验生物物理学实验室教授曼利说。

曼利和她的同事、实验生物物理学实验室博士后研究员兰多尼现已确定负责这一过程的机制。他们的工作指向一个被称为“线粒体珍珠串”的过程，这一过程此前很少受到关注。

线粒体珍珠串是一种暂时的形状变化，线粒体在此过程中形成一种看起来像串在绳子上的珠子的结构。在这种转变过程中，线粒体DNA簇被分离和重新分配。这使得拟核能够更均匀地分布，保持它们的规律间距。

为了研究这一过程，研究人员结合使用多种先进成像方法，在活细胞中观察线粒体及其DNA。这些方法包括超分辨率成像、相关光学和电子显微镜以及相衬显微镜。

借助这些工具，研究团队能够跟踪单个拟核，捕捉线粒体形状的快速变化，并更好地理解其内部结构的组织方式。

活细胞成像显示，珍珠串事件每分钟可能发生多次。在这些时刻，线粒体沿着其长度短暂形成等间距的收缩。这些“珍珠”之间的距离与拟核之间的常规间距非常匹配。

这些珠状部分大多在中心附近包含一个拟核，尽管没有线粒体DNA时也能形成这种结构。

随着过程的继续，较大的拟核簇常常分裂成较小的群组，定居在相邻的“珍珠”中。当线粒体恢复其正常的管状形状时，拟核保持分离状态，维持其均匀分布。

研究人员还探索了驱动和调节珍珠串过程的因素。通过遗传和药理学实验，他们发现进入线粒体的钙可以触发这一过程。此外，内部膜结构有助于维持拟核的分离。

当这些调节因子被破坏时，拟核往往会聚集在一起，而不是保持均匀间隔。

“自从玛格丽特·里德·刘易斯在1915年首次描绘线粒体珍珠串以来，它基本上被认为是与细胞应激有关的异常现象而被忽视，”兰多尼说：“一个多世纪后，它正作为线粒体生物学核心的一个优雅保守的机制出现。这种生物物理过程提供了一种简单且节能的方式来分配线粒体基因组。”

这些发现表明，细胞不仅依赖复杂的分子系统，还依赖物理过程来维持组织。理解线粒体珍珠串如何工作以及如何被控制，可能为与线粒体DNA相关的疾病提供重要的见解。

这一知识最终可能有助于指导治疗与线粒体功能障碍相关的疾病的新方法。

其他贡献者

智利天主教大学霍华德·休斯医学研究所加州大学旧金山分校

参考文献：《珍珠串驱动线粒体DNA拟核分布》，2026年发表于《科学》第392卷第6793期第102页。DOI：10.1126/science.adu5646