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程和平主讲才斋讲堂第119讲:线粒体炫的发现与意义
日期: 2016-05-17  信息来源: 研究生院

2016年4月12日晚上,北京大学分子医学研究所创始人之一程和平院士做客才斋讲堂,以生动的图像和朴实的语言向同学们介绍了“线粒体炫”的发现过程、分子机理以及生物学意义,带领同学们一起领略了生物前沿基础研究的艰辛与美妙。研究生院副院长刘明利主持并全程参加了讲座。

线粒体是细胞中非常有趣且特别的细胞器,数量众多、形状各异,且在一定条件下还会形成围绕细胞核的网络结构。线粒体的结构也非常独特,有外膜、内膜两层膜,内膜折迭形成内嵴。此外,线粒体还有自己的基因。“线粒体非常好地诠释了生命的本质,有一定的结构,也有维持结构的能量,还包含结构与能量所传递的信息。”程和平在简介线粒体的基础上总结道,“线粒体既是生命的‘能量工厂’,又是细胞信号的枢纽。此外,线粒体对细胞钙信号的转导也有重要作用。”在做线粒体钙火花研究的时候,他们意外且幸运地发明了用cpYFP探测超氧阴离子的技术。更为惊喜的是,他们观察到心肌细胞中的单个线粒体随机爆发式地产生超氧信号的现象,这些现象一般持续10秒左右,且与细胞呼吸代谢时持续产生的活性氧现象完全不一样,程和平将这种现象命名为“线粒体超氧炫”。

 
程和平在授课

“当看到一种新现象的时候,最基本的问题就是:这是什么?如何产生的?有何种意义?也就是我们常说的what,how,why三要素。这些问题推动着我们不断地研究‘线粒体炫’。”对本质的执着追求推动着程和平的研究。长期的研究发现,“线粒体炫”是一种复合现象,包括ROS活性氧、pH、氧还电势、线粒体膜电势等多个层次。“线粒体炫”产生的最简单条件是脱离于细胞的线粒体。为了探究“炫”是否是一种生理现象,程和平完成了一系列实验与研究。他和他的研究团队分别观察了转基因探针小鼠跳动的心脏、活体老鼠的骨骼肌以及变温动物等情况下的线粒体,均发现了“炫”的存在,且在小鼠骨骼肌的实验中还观察到成片的大规模“线粒体炫”现象。“从跳动的心脏到完整的老鼠活体,从骨骼肌到坐骨神经,从恒温动物到变温动物,‘线粒体炫’现象都是存在的。因此‘线粒体炫’是一种普遍存在且高度保守的生理现象。” 此外,机体血糖水平变化、胰岛素水平变化对炫的发放频率有重要的调节作用。在整个研究过程中,程和平及其团队在实验方法上不断创新,还实现了第一次在活体动物中观测线粒体的动态活动。

弄清楚了什么是“线粒体炫”之后,就进入到科学研究的第二个阶段:“线粒体炫”是如何产生的。程和平简单地介绍了“线粒体炫”的触发机制:膜电势陡降、线粒体物质流失、mPTP药理反应均在一定程度上支持“mPTP的开放触发‘线粒体炫’”的假说,而敲除CypD则会使“线粒体炫”频率减半的现象也支持这个假说。此外,‘线粒体炫’的发生依赖于ETC的完整性。

 
授课现场

发现并研究“线粒体炫”的最大意义,在于它是否可以帮助我们认清一些生命现象的本质并造福人类,这就涉及到对“线粒体炫”作用的探究。由于线粒体本身对生命存在意义非凡,且“线粒体炫”又是一种生理现象,因此其最大的意义便在生物医学领域。在研究“线粒体炫”的生物学意义时,程和平首先强调了与他人合作进行跨领域研究的重要性。迄今为止,“线粒体炫”的生物学意义主要体现在衰老问题、胁迫或损伤应答、维持ATP的稳态以及突触的可塑性四个方面。在胁迫或损伤应答方面,对缺氧心肌细胞所进行的研究表明,“线粒体炫”的频率能够指示心肌缺血-再灌注损伤,因此,“线粒体炫”可以用来指示某种损伤。在衰老问题上,关于衰老的学说都绕不开线粒体,而通过记录“线粒体炫”在三日龄线虫生命周期中的变化,发现“线粒体炫”是生命的“数字钟”,其发放快慢与生命长短呈负相关。而在突触可塑性方面,通过对大鼠神经元的研究发现树突干“线粒体炫”在突触长时程记忆形成中至关重要。

“‘线粒体炫’是广泛存在、高度保守、量子化的线粒体信号事件;在许多重大生理学和病理学过程中至为重要;如此,以‘线粒体炫’为靶点,可以发展有效的策略,调控生理病理过程。”程和平教授最后总结道,他十分感谢与他一起合作进行研究的伙伴与学生,也再次表达了自己对科学研究的热爱与孜孜不倦的执着精神。

专题链接:才斋讲堂

编辑:白杨


   
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