研究人员发现线粒体在压力下如何寻求帮助

随着生命以最广泛的单细胞生物体的形式在地球上传播，在3.5到10亿年前的某个时候，一种这样的生物体实现了一场进化政变：它没有吞噬和消化细菌，而是将猎物封装起来，并将其用作能量之源。作为宿主细胞，它提供保护和营养作为回报。

这被称为内共生理论，根据该理论，一种单细胞生物体是所有高等细胞的原始母亲，所有动物、真菌和植物都是由这些细胞发展而来的。经过数十亿年的时间，封装的细菌成为细胞的动力源——线粒体，为细胞提供细胞能量货币ATP。

它失去了很大一部分遗传物质——DNA——并与母细胞交换了更小的DNA片段。然而，现在和过去一样，线粒体独立于细胞分裂，并拥有自己的一些基因。

法兰克福歌德大学ChristianMünch博士领导的研究小组正在研究当今人类细胞中细胞和线粒体协同工作的紧密程度。他们现在已经发现线粒体在面临压力时如何向细胞寻求帮助。例如，这种压力的触发因素可能是感染、炎症性疾病或遗传性疾病，也可能是营养缺乏或细胞毒素。该研究已发表在《自然》杂志上。

某种类型的线粒体应激是由错误折叠的蛋白质引起的，这些蛋白质不能快速降解并在线粒体中积累。对于线粒体和细胞来说，后果都是巨大的：例如，错误折叠的蛋白质会破坏能量产生或导致形成大量活性氧化合物，从而攻击线粒体DNA并产生更多错误折叠的蛋白质。此外，错误折叠的蛋白质会破坏线粒体膜的稳定性，从线粒体中释放信号物质，激活细胞凋亡(细胞的自我毁灭程序)。

线粒体通过产生更多的伴侣(折叠助手)来折叠蛋白质以减少错误折叠，以及降解错误折叠的蛋白质的蛋白质粉碎单元来应对压力。到目前为止，细胞如何触发这种保护机制尚不清楚。

法兰克福歌德大学的研究人员人为地引发了培养的人类细胞线粒体中的错误折叠应激，并分析了结果。身为生物化学家的Münch解释说：“难以解开此类信号传导过程的原因是，细胞中同时高速发生的信号数量令人难以置信。”

因此，研究小组利用了可用于测量基因转录程度随时间变化的方法(转录组分析)。此外，研究人员还观察了哪些蛋白质在哪个时间点彼此结合、细胞内物质的浓度以哪个时间间隔发生变化，以及当单个蛋白质被系统性失活时会产生什么影响。

结果是，当蛋白质错误折叠应激发生时，线粒体会向细胞发送两个化学信号：它们释放活性氧化合物并阻止蛋白质前体的输入，这些前体在细胞中产生，并且仅在线粒体内折叠成其功能形状，导致这些前体在细胞中积累。除其他外，活性氧化合物会导致称为DNAJA1的蛋白质发生化学变化。通常情况下，DNAJA1支持细胞中的特定伴侣(折叠助手)，将细胞新形成的蛋白质塑造成正确的形状。

由于化学变化，DNAJA1现在越来越多地迫使折叠助手HSP70作为其助手。然后，HSP70特别注意由于蛋白质输入受阻而在线粒体周围积聚的错误折叠蛋白质前体。通过这样做，HSP70减少了与其常规伙伴HSF1的相互作用。HSF1现在被释放并可以迁移到细胞核中，在那里它可以触发线粒体的抗应激机制。

正如Münch解释的那样，“发现两种线粒体应激信号如何在细胞中组合成一个信号，然后触发细胞对线粒体应激的反应，这是非常令人兴奋的。而且，在这个复杂的过程中，本质上是由微小的局部驱动的。浓度的变化、细胞的应激信号通路和线粒体非常优雅地相互吻合——就像发条装置中的齿轮一样。”