9月1日，Cell出版社生物物理學(xué)權(quán)威雜志Biophysical Journal在線發(fā)表了中科院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院劉興國研究組的研究成果“Modeling of Mitochondrial Donut Formation”。該研究針對(duì)缺氧/復(fù)氧病理?xiàng)l件下線粒體應(yīng)答的新形態(tài)-“甜甜圈（donut）”，首次通過構(gòu)建3D動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換中的自由能變化，論證了線粒體“甜甜圈”形成的自發(fā)性和“甜甜圈”存在的穩(wěn)定性。 

　　缺氧/復(fù)氧過程廣泛存在于心腦血管、腎病等多種疾病以及人工手術(shù)過程中，比如心臟缺血再灌注，在這個(gè)過程中，在缺血時(shí)組織細(xì)胞面臨缺氧和葡萄糖缺乏導(dǎo)致的饑餓，恢復(fù)供血后細(xì)胞突然大量死亡，造成器官壞死和功能異常。研究組以此病理學(xué)為基礎(chǔ)，在前期研究中發(fā)現(xiàn)線粒體應(yīng)答的新形態(tài)-“甜甜圈”，這一“甜甜圈”形態(tài)的線粒體在環(huán)境條件恢復(fù)正常時(shí)可以迅速恢復(fù)膜電勢，恢復(fù)正常呼吸功能。然而，缺氧/復(fù)氧病理?xiàng)l件下線粒體由正常的線狀或粒狀變?yōu)椤疤鹛鹑Α钡牧W(xué)機(jī)制和能量過程一直不清楚。 

　　本研究精確測量了線粒體的直徑，并統(tǒng)計(jì)線粒體“甜甜圈”環(huán)結(jié)構(gòu)直徑的數(shù)值分布（95%大于0.8微米）。在此基礎(chǔ)上，本研究構(gòu)建了3D光滑曲面的“幾何線粒體”模型，通過對(duì)曲面任意點(diǎn)的積分定量線粒體的3D空間信息，因此這一模型可以模擬線粒體的實(shí)時(shí)動(dòng)力學(xué)：膨脹/縮小，融合/分裂，彎曲和變身為有尾巴和無尾巴的兩種“甜甜圈”。研究組通過計(jì)算線粒體從線狀變身為“甜甜圈”的過程中彎曲能和滲透壓能的變化，構(gòu)建了這一過程自由能變化模型。結(jié)果表明，彎曲能是線粒體變身為“甜甜圈”的主要障礙，而“甜甜圈”直徑小于0.8微米將帶來極大的自由能增加。這一模擬計(jì)算的結(jié)論與實(shí)際觀察的“甜甜圈”環(huán)結(jié)構(gòu)直徑的數(shù)值分布完全一致。 

　　細(xì)胞能量狀態(tài)和亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換一直是外界信號(hào)調(diào)控的兩大方面。本研究建立了3D動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，論證了線粒體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換中的能量控制機(jī)制，是細(xì)胞能量狀態(tài)和亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換之間相互作用的范例。線粒體處于不斷的動(dòng)態(tài)中，這對(duì)于細(xì)胞的“生老病死”非常重要。本研究針對(duì)缺氧/復(fù)氧這一重要病理?xiàng)l件下，線粒體應(yīng)答外界壓力變身為新形態(tài)“甜甜圈”，闡明了這一過程發(fā)生的自發(fā)性和“甜甜圈”存在的穩(wěn)定性，是線粒體適應(yīng)性動(dòng)力學(xué)應(yīng)答的新模式。 

　　本研究獲得中科院、科技部、國家自然科學(xué)基金、廣東省和廣州市的經(jīng)費(fèi)支持。  

線粒體變身“甜甜圈”

線粒體變身“甜甜圈”的自由能曲線