不仅仅是一个简单的强国：线粒体的结构和功能

线粒体被称为细胞的“发电站”，但这些细胞器还有许多其他重要功能。线粒体也是异质的，在结构和功能上不同。美国阿拉巴马大学伯明翰分校的Kasturi Mitra博士领导了一个研究小组，专注于了解在健康和疾病中线粒体的结构和功能之间的关系。Mitra博士的工作表明，线粒体结构功能的动态变化在调节细胞周期中起着关键作用，对癌症等疾病以及衰老的自然过程具有重要意义。

我们所做的一切需要能量。小，膜结合的结构，或细胞器，存在于人体内几乎所有的细胞（以及在生活的几乎所有其他形式的细胞）：多，能量由线粒体生成的。一些细胞，如那些在肝脏，肌肉等，含有比其它电池更多的线粒体，如血细胞。通常被称为细胞的“发电站”线粒体需要从食物中能量代谢产物的形式，并将其转换成一个名为ATP分子的能量货币，在体内的细胞可以使用。作为ATP生产的副产物，产生线粒体物质称为活性氧物质（不稳定含氧分子）。

虽然产生能量是线粒体最广为人知的功能，但这肯定不是它们的唯一作用。线粒体还参与其他关键过程，如细胞信号传递和体内平衡——维持影响身体功能的细胞内部条件的稳定。此外，线粒体在衰老的复杂过程中发挥着重要作用，这包括随着时间推移线粒体产生的活性氧造成的损伤，以及由线粒体支持的细胞信号和稳态的改变。

线粒体的经典描绘是椭圆形或香肠形结构，填充有不规则折叠的膜。然而，一些研究表明，该图像是误导性的，并且线粒体存在于一系列形状和尺寸中。在近几十年来，研究阐述了线粒体如何在各种形状和尺寸之间交换以及这些形状在各种生理过程和疾病中变化的重要性。

线粒体的形状和结构是多种多样的
即使在单个细胞内，线粒体也可以是异质的;也就是说，它们在结构和功能中都有所不同。此外，线粒体不仅是整个细胞器的水平的异质性。最近的研究表明，在一个线粒体内，有多个不同的区域对非常不同的功能负责。

米特拉博士的工作清楚地表明，线粒体动态调节强烈与调节细胞周期的集成。

与其他重要的生物器官一样，线粒体的结构和功能很可能是密不可分的。线粒体异质性的不同水平及其含义是阿拉巴马大学Kasturi Mitra博士的研究重点。该团队与研究生布莱恩·斯普尔洛克(Brian Spurlock)合作，旨在了解健康和疾病中线粒体的结构和功能之间的关系。

任何单个线粒体的结构，在任何给定的时间，都取决于其所在细胞的类型和细胞的生理状态。然而，线粒体形状和结构的必要变化主要是由两个相反的过程产生的:裂变和融合。

裂变融合动态和形状变化
线粒体分裂(分裂)和融合(连接)，统称为线粒体动力学，是保持细胞平衡的复杂系统的一部分。在裂变过程中，一个大的线粒体分裂成较小的线粒体。相反，在融合过程中，两个线粒体结合在一起形成一个大的细胞器，或交换它们的内容物。

越来越清楚的是，线粒体的裂变和融合动力学用于保护细胞。融合可能允许损坏和未损坏的线粒体加入，“稀释”损坏;另一方面，裂变可以允许细胞器处理受损部分，然后可以被细胞分解。以这种方式，裂变和融合是线粒体的“质量控制”过程。

控制线粒体动力学是复杂的过程。融合和裂变的平衡由细胞内的特定分子，特别是某些酶和其他调节蛋白保持。线粒体与细胞内的其他细胞器和结构的相互作用也可以影响线粒体裂变和融合。

线粒体动力学和细胞周期
线粒体动力学似乎受到细胞周期的影响:细胞生长和分裂形成子细胞的过程。根据Mitra博士的说法，线粒体形状在细胞增殖(即生长和分裂以增加数量)中变化最快。在这些细胞中，细胞周期在短时间内迅速重复。细胞周期的进程是由一种叫做细胞周期蛋白的蛋白质家族调控的，它在细胞周期的不同阶段激活各种酶。细胞周期蛋白还调节关键的线粒体功能，包括能量释放和裂变融合动力学。

Mitra博士和她的团队已经成功地确定了与来自不同物种哺乳动物的细胞中的细胞周期相关的线粒体形状的变化。随着其他研究人员收集的数据，Mitra博士的工作明确表明线粒体动力学的调节与细胞周期的调节强烈集成。

米特拉博士和她的同事接下来旨在了解细胞周期内线粒体形状变化的影响。有证据表明，线粒体产生的ATP量根据细胞周期的每个阶段的不同能源需求而变化。Mitra博士的研究表明，线粒体产生的ATP积极影响细胞周期的特定部分。当线粒体ATP耗尽时，细胞周期可能会慢或倒置。她的实验室证明了细胞周期的减速是由于细胞蛋白质降解机械非常容易破坏的细胞周期蛋白的直接线粒体调节。作为一种机制，他们提出了能量上活性线粒体募集线粒体表面上的细胞周期e以防止其破坏并被释放以支持细胞增殖。重要的是，他们表明，线粒体裂变的主调节剂介导细胞周期蛋白E的线粒体调节，从而介导细胞周期。

通过积极和直接参与细胞周期的各个阶段，线粒体可以影响细胞所采取的路径：它会成为静态（或休眠），继续增殖，或分化（即发展成为专业化）？研究正在进行定义究竟是如何发生的。米特拉博士是特别感兴趣的发现线粒体的能量生产能力，通过线粒体裂变和核聚变过程作为调节如何，有助于测定细胞的命运。

干细胞的线粒体动力学
干细胞是一种尚未分化或分化的细胞，但具有分化成特定细胞类型的潜力。Mitra博士的发现得到了其他研究人员的支持，表明细胞周期中与分裂-融合平衡相关的变化对干细胞有特殊的影响。

通过积极直接参与细胞周期的每个阶段，线粒体可以影响细胞所需的路径。

成体干细胞大多保持在静止状态;也就是说，他们不会积极成长或分裂。静止细胞被称为导入生物体的寿命期间，当必要的行动。在状态保持干细胞是防止他们成为重要的“疲惫”或不再能够产生所需的特殊细胞。看来，线粒体融合是持成人干细胞的静息状态至关重要。当融合被抑制，裂变允许干细胞开始分裂和专业化的过程。

线粒体动力学是细胞周期的重要组成部分，因此生存。这适用于“正常”细胞和干细胞。不幸的是，与所有生物过程一样，这些系统偶尔会出错。

线粒体，癌症和衰老
当细胞以不受控制的方式生长和分裂时，癌症就会发生。Mitra博士的研究表明，这种失控的增殖可以通过与异常细胞周期有关的过度线粒体裂变来维持。在最近的工作中，Mitra博士，Brian Spurlock和他的同事开发了一种基于显微镜的新方法，他们将其命名为mito-SinCe²，用于量化线粒体中的异质性。使用这种方法，该团队确定了三种不同的癌细胞亚群，每种具有线粒体结构功能关系的特征状态。这三个次级群体中的一种能够在可以引发和维持肿瘤的细胞中维持特定的干细胞性质。当维持在细胞循环静止时，该细胞亚细胞群具有降低的线粒体裂变和增强的线粒体活性氧物质。进一步的实验导致研究人员建议这些特定的静态肿瘤引发细胞当激活时经历大量的线粒体裂变，以可能以不受控制的方式支持癌细胞的增殖。

线粒体裂变或融合中的不平衡影响各种模型生物的寿命，如蠕虫，苍蝇，小鼠甚至人类。Mitra博士认为，他们在细胞层面的发现可能有助于与年龄相关的细胞增殖丧失。线粒体动态的破坏可能以多种方式影响细胞，包括减少它们对营养成分的响应的能力以及使细胞基因组不稳定并且容易突变。这些故障可能导致年龄相关的病症，包括癌症，糖尿病和心血管疾病。

Mitra博士和她的同事博士的作品具有对线粒体动态的高度了解，同时也开辟了令人兴奋的研究潜在的研究途径。通过这些发现，它已经很清楚，线粒体结构深刻，不可避免地与功能的联系，这种关系的影响在细胞周期的每一个阶段的细胞，从通过增殖分化和老化。对线粒体动力学的更大了解也可能导致健康的改善，通过脱落对癌症成长和传播背后的流程来改善。