撰文丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

線粒體（mitochondrial）是真核細胞中的重要細胞器，其與真核細胞之間的共生關系大約可追溯到 17 億年前。這種共生關系對于整個真核生物域的進化、多樣化以及生存至關重要。

經(jīng)過幾十年的研究，線粒體早已超越了其作為細胞內(nèi)“能量工廠”的刻板印象，人們認識到線粒體還在細胞凋亡、分化、信號轉(zhuǎn)導、衰老以及發(fā)育時機等多種細胞過程中發(fā)揮著至關重要的作用。然而，哺乳動物發(fā)育在多大程度上依賴線粒體，仍是一個懸而未決且基礎性的問題。

2025 年 6 月 10 日，德克薩斯大學西南醫(yī)學中心吳軍教授團隊在國際頂尖學術期刊Cell上發(fā)表了題 為： Unraveling mitochondrial influence on mammalian pluripotency via enforced mitophagy 的研究論文。

該研究開發(fā)了一種強制線粒體自噬新技術，能夠在體外或體內(nèi)減少或完全去除線粒體，使用該技術，研究團隊揭示了線粒體對細胞多能性的影響 ，還發(fā)現(xiàn)了線粒體數(shù)量的降低會導致著床前小鼠胚胎發(fā)育延遲。這項研究為探索線粒體在發(fā)育、疾病和跨物種生物學中的作用開辟了新途徑，還有望促進線粒體疾病的研究和療法開發(fā)。

最近，有研究人員構建了人類與黑猩猩之間的種間復合（或雜交）多能干細胞（PSC），為源自細胞核基因組（nDNA）差異的人類特有特征提供了見解。然而，該系統(tǒng)尚未被用于研究線粒體基因組（mtDNA）的差異。

在過去的約 600 萬至約 1800 萬年里，人科動物（即類人猿）的線粒體基因組（mtDNA）變得越來越不同，導致 mtDNA 中出現(xiàn)了數(shù)千種自然發(fā)生的核苷酸變化。通過生成具有物種特異性線粒體含量的跨物種復合多能干細胞，我們可以評估線粒體基因組的進化變化對多能細胞及其后代的影響。

在這項最新研究中，研究團隊利用細胞中的線粒體自噬（mitophagy）途徑（細胞通常通過該途徑來處理老化或受損的線粒體），開發(fā)了一種名為強制線粒體自噬（enforced mitophagy）的方法，能夠降解細胞中的所有線粒體。該方法首先在細胞內(nèi)表達 PRKN 蛋白，這是一種 E3 泛素連接酶，可被招募到功能失調(diào)的線粒體中以促進線粒體自噬，然后使用用寡霉素 A 和抗霉素 A（A/O）處理細胞，這兩種線粒體解偶聯(lián)劑可使線粒體膜去極化，從而在表達 PRKN 的細胞中刺激廣泛的線粒體自噬。

研究團隊利用該技術生成了不含線粒體的多能干細胞（PSC），用于研究線粒體在細胞多能性和胚胎發(fā)育中的作用。

結果顯示，通過強制線粒體自噬去除了所有線粒體的多能干細胞會停止分裂，但其仍可在沒有線粒體的情況下在培養(yǎng)皿中存活 3-5 天時間。研究團隊將該策略進一步應用于另外三種多能干細胞系——小鼠胚胎干細胞（mESC）、小鼠上胚層干細胞（mEpiSC）以及攜帶導致線粒體腦肌病伴乳酸血癥和卒中樣發(fā)作（MELAS）的致病性線粒體 DNA 突變的人誘導多能干細胞（hiPSC），均顯示了類似結果。這表明了強制線粒體自噬可作為一種跨物種和細胞類型的消除細胞內(nèi)線粒體的可行工具，將來可能為線粒體疾病提供新的研究和治療方案。

研究團隊進一步評估了去除了所有線粒體的多能干細胞的核基因表達情況，結果顯示，核基因組中有 788 個基因變得不那么活躍，有 1696 個基因變得更活躍。對受影響基因的進一步分析顯示，多能干細胞似乎保留了分化和形成其他細胞類型的能力，還彌補了線粒體的缺失，接管了能量產(chǎn)生和其他一些通常由線粒體執(zhí)行的功能。

研究團隊將人類多能干細胞與人類的最近親——非人人科動物（黑猩猩、倭黑猩猩、大猩猩和紅毛猩猩）的多能干細胞進行融合，形成跨物種復合細胞，結果發(fā)現(xiàn)，這些復合細胞會選擇性去除非人人科動物的線粒體基因組，只保留人類的線粒體基因組。

接下來，研究團隊使用強制線粒體自噬，預先去除了人類多能干細胞中的所有線粒體，然后將其與非人人科動物（即類人猿，包括黑猩猩、倭黑猩猩、大猩猩和紅毛猩猩）的多能干細胞分別融合，每種融合的多能干細胞都具有人類和一種非人人科動物的核基因，但只有一種非人人科動物的線粒體基因。利用這些細胞，研究團隊發(fā)現(xiàn)，盡管已經(jīng)過數(shù)百萬年的進化分離，人類與這些非人人科動物的線粒體在支持多能性方面大體上是可以互換的，它們在復合細胞中只引起了細微的物種特異性轉(zhuǎn)錄和代謝變化。

最后，研究團隊開發(fā)了一種基于過度激活 PINK1-PRKN 線粒體自噬通路的轉(zhuǎn)基因強制線粒體自噬方法，該方法能夠顯著降低小鼠胚胎中的線粒體數(shù)量，然后將這些線粒體數(shù)量減少的小鼠胚胎植入母鼠體內(nèi)進行發(fā)育研究，結果顯示，如果裝床前胚胎丟失了約 65% 的線粒體，會導致著床失敗，而丟失三分之一線粒體的胚胎則會出現(xiàn)發(fā)育延遲，但仍能順利著床，并在受精后 11-12 天將線粒體數(shù)量調(diào)節(jié)回正常水平，也能夠順利完成正常發(fā)育過程。

該研究的核心發(fā)現(xiàn)：

• 強制線粒體自噬，可使多能干細胞（PSC）中的線粒體耗竭；

• 人類-類人猿的種間復合多能干細胞具有選擇性線粒體 DNA 貢獻的特征；

• 具有物種特異性線粒體 DNA 的人類-類人猿復合多能干細胞表現(xiàn)出細微表型差異；

• 減少線粒體數(shù)量會減緩胚胎著床前的發(fā)育進程。

總的來說，該研究利用 PINK1/PRKN 通路，開發(fā)了一種強大的強制線粒體自噬方法，能夠在體外和體內(nèi)減少或完全去除線粒體，該方法為探索線粒體在細胞功能、組織和器官發(fā)育、衰老和物種進化中所發(fā)揮的不同作用，提供了新的研究工具。

論文鏈接：

https://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(25)00572-0