線粒體和質(zhì)體北大陳建國細(xì)胞生物學(xué)

關(guān)于線粒體和質(zhì)體北大陳建國細(xì)胞生物學(xué)PartImorphologyanddynamics第2頁,共63頁，2024年2月25日，星期天光學(xué)顯微鏡下的線粒體1890年Altmann（德國）D:0.3-1μm;L:1.5-3.0μm第3頁,共63頁，2024年2月25日，星期天DAPIElectronmicroscopyMitoTracker第4頁,共63頁，2024年2月25日，星期天擬南芥分生細(xì)胞的三維重構(gòu)照片。在細(xì)胞分裂的周期中，線粒體一度融合形成環(huán)核的片層狀線粒體（藍(lán)色）。同時細(xì)胞中也保留常見的顆粒狀線粒體（綠色）。左圖：G1-S期細(xì)胞；右圖：G2期細(xì)胞；n：細(xì)胞核（紫色）。Bar=2微米。圖片來自Segui-Simarroetal.2008中的Fig.7，有改動。

第5頁,共63頁，2024年2月25日，星期天ConclusionThemorphologyandnumberofmitochondriaarehighlyregulatedinthecells;Thisregulationmaintainsthepropershapeandcontentofmitochondriaincertaincells.第6頁,共63頁，2024年2月25日，星期天線粒體的融合與分裂。（a）洋蔥表皮細(xì)胞內(nèi)線粒體在51秒和69秒時間段內(nèi)相繼發(fā)生融合和分裂的熒光顯微照片。實(shí)驗(yàn)使用可變色熒光蛋白（Kaede）標(biāo)記線粒體。紅色和綠色的顆粒為不同的線粒體。當(dāng)它們?nèi)诤虾箢伾B加成為黃色。箭頭指示融合發(fā)生。（b）煙草懸浮培養(yǎng)細(xì)胞中的線粒體以及90秒和40秒時間段內(nèi)線粒體發(fā)生分裂的熒光顯微照片。實(shí)驗(yàn)使用MitoTracker(red)標(biāo)記線粒體，同時用SybrGreen標(biāo)記線粒體DNA。在重合的照片中，紅色和綠色兩種熒光疊加出現(xiàn)的黃色熒光區(qū)域?yàn)榫€粒體擬核（DNA）所在的位置。注意在線粒體分裂過程中，線粒體DNA并不被均等分配。箭頭指示沒有擬核熒光的線粒體。Bar=2微米。圖片來自Arimuraetal.2004中的Fig.2和Fig.4，有改動。。第7頁,共63頁，2024年2月25日，星期天雙受精（雙胞胎兄妹的婚禮）SGNawaschen(1898)BullAcadImpSciStPetersburg9:377-382.Kikume標(biāo)記精細(xì)胞核Huangetal.(2015)JIPB57:496-503.第8頁,共63頁，2024年2月25日，星期天“模糊的蔥頭”與跨膜大分子GTPase（Fzo）的模式結(jié)構(gòu)。（WT）野生型果蠅精細(xì)胞發(fā)育過程中線粒體融合形成的大體積球形線粒體。（fzo）突變體中聚集但不融合的小線粒體。（OM）線粒體外膜；（IMS）膜間隙；（IM）線粒體內(nèi)膜。Bar=2微米。圖片來自HalesandFuller1997中的Fig.1以及Westermann2003中的Fig.3，有改動。。fuzzyonion?第9頁,共63頁，2024年2月25日，星期天線粒體融合基因突變導(dǎo)致的線粒體片段化。（a）Fzo1基因野生型（WT）和突變體（fzo1）酵母細(xì)胞中的線粒體。注意野生型細(xì)胞中的線粒體長條狀，突變體中變?yōu)轭w粒狀。（b）Mfn1基因野生型（上排）和突變體（下排）小鼠細(xì)胞內(nèi)的線粒體。注意野生型細(xì)胞中藍(lán)色標(biāo)出的細(xì)長線粒體在相對運(yùn)動中接觸并融合，而突變體細(xì)胞中的線粒體高度片段化，無融合現(xiàn)象發(fā)生。Bar=3微米（a），10微米（b）。圖片來自MozdyandShaw2003中的Fig.2以及Chenetal.2003中的Fig.4，有改動。第10頁,共63頁，2024年2月25日，星期天線粒體分裂必需基因（Dnm1、Drp1）的作用及產(chǎn)物定位。（a）Dnm1基因野生型（WT）和突變體（dnm1）酵母細(xì)胞中的線粒體。注意野生型細(xì)胞中的線粒體長條狀，突變體中變?yōu)榫W(wǎng)絡(luò)狀。（b）Drp1基因野生型（WT）和突變體（drp1）線蟲細(xì)胞內(nèi)的線粒體。注意野生型細(xì)胞中線粒體呈規(guī)則的條形（黃色），而突變體細(xì)胞中的線粒體發(fā)生彭大且由延伸成細(xì)線的線粒體外膜（綠色）相連，說明Drp1于線粒體分裂及分裂后期的膜切斷必不可少。（c）線蟲細(xì)胞中Drp1的活細(xì)胞定位（上排熒光照片。線粒體標(biāo)記為紅色，Drp1標(biāo)記為綠色）及dynamin纖維組裝及分解驅(qū)動線粒體分裂的模式圖。注意線粒體分裂的位點(diǎn)上出現(xiàn)Drp1。Bar=2微米（a），5微米（b），2微米（c上），0.1微米（c下）。圖片來自Mozdyetal.2000中的Fig.1、Labrousseetal.1999中的Fig.4和Fig.7，有改動。外膜-Fis1-Mdv1-Dnm線粒體分裂裝置（所有蛋白組裝成的功能單位）第11頁,共63頁，2024年2月25日，星期天電子顯微鏡下觀察到的線粒體分裂裝置。（a）研究線粒體和葉綠體分裂裝置的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)材料，紅藻細(xì)胞的熒光顯微照片（DNA特異性探針DAPI染色）及細(xì)胞內(nèi)線粒體與葉綠體分裂模式圖。紅藻細(xì)胞含一個線粒體和一個葉綠體。在細(xì)胞增值過程中，葉綠體（紅色自發(fā)熒光）率先啟動分裂，隨后線粒體啟動分裂，最后細(xì)胞核分裂。紅色的環(huán)狀結(jié)構(gòu)示線粒體和葉綠體的分裂環(huán)。（b）電子顯微鏡下觀察到的分裂環(huán)平環(huán)切面。在3張連續(xù)切面（黑白）疊加后生成的圖片（彩色）上，可以同時觀察到線粒體分裂環(huán)（大箭頭）及葉綠體分裂環(huán)（小箭頭）。（c）線粒體分裂環(huán)的垂環(huán)切面。在分裂環(huán)的斷面上，可以觀察到電子密度較高的外環(huán)（大箭頭）及電子密度相對較低的內(nèi)環(huán)（小箭頭）。Bar=1微米（a），0.5微米（b,c）。C：葉綠體；M：線粒體；N：細(xì)胞核。圖片來自Kuroiwaetal.1995中的Fig.1、Fig.3和Fig.4，有改動。第12頁,共63頁，2024年2月25日，星期天電子顯微鏡下觀察到的紅藻（a，b）及被子植物天竺葵（c）的葉綠體分裂環(huán)。在掃描電子顯微鏡下，紅藻葉綠體分裂環(huán)的外環(huán)（a中雙箭頭指示）為一環(huán)形索狀結(jié)構(gòu)，位于葉綠體表面，隨著葉綠體分裂的進(jìn)行而變粗。在葉綠體的垂環(huán)切面上，分裂環(huán)的一對橫切面出現(xiàn)在葉綠體的縊縮處，呈較高電子密度（b中雙箭頭指示）。將分裂環(huán)的切面放大（b中下圖）后，在外環(huán)切面（大箭頭）的下面可以清楚地區(qū)分辨出形狀寬扁的內(nèi)環(huán)（小箭頭）斷面。外環(huán)與內(nèi)環(huán)的斷面之間由葉綠體膜相隔。高等植物的分裂環(huán)在超微結(jié)構(gòu)上與紅藻相同。隨著分裂的進(jìn)行（I→III），分裂環(huán)外環(huán)（c中箭頭指示）變粗，截面積增大（c中右圖分別為左圖的局部放大）。CP：葉綠體；MP：線粒體；N：細(xì)胞核。Bar=0.5微米（a，b上，c左），0.1微米（b下，c右）。圖片來自Miyagishimaetal.1999中的Fig.2（a），Miyagishimaetal.1998中的Fig.4（b）以及Kuroiwaetal.2002中的Fig.2（c），有改動。第13頁,共63頁，2024年2月25日，星期天紅藻分裂環(huán)的分離及蛋白質(zhì)鑒定。參見Yoshidaetal.2009CurrBiol第14頁,共63頁，2024年2月25日，星期天ConclusionThemorphologyandnumberofmitochondriaincellsareregulatedbywell-balancedmitochondrialfusionsanddivisions;Thefusionsanddivisionstakesplacefrequently,allowingallmitochondriainacellasadiscontinuouswhole.第15頁,共63頁，2024年2月25日，星期天光學(xué)顯微鏡及熒光顯微鏡下觀察到的葉綠體。左圖：擬南芥葉肉細(xì)胞原生質(zhì)體。焦面置于細(xì)胞中部時，觀察到的葉綠體呈兩端漸窄的條形（上圖中箭頭）。而將焦面移動到細(xì)胞頂部時，觀察到的葉綠體為近圓形（下圖中箭頭）。可見，葉綠體的立體結(jié)構(gòu)應(yīng)與凸透鏡或鐵餅相似。右圖：將原生質(zhì)體細(xì)胞質(zhì)平鋪并經(jīng)DAPI染色后的熒光顯微照片。紅色為葉綠素的自發(fā)熒光。當(dāng)細(xì)胞質(zhì)平鋪為一薄層時，葉綠體的頂面觀均為近圓形。此外，經(jīng)DAPI染色后的葉綠體中可以觀察到葉綠體DNA顆粒狀熒光（大箭頭）。同時，細(xì)胞質(zhì)中可以觀察到線粒體DNA的熒光信號（小箭頭）。N：細(xì)胞核。Bars=10微米。圖片由北京大學(xué)胡迎春博士提供。第16頁,共63頁，2024年2月25日，星期天CRUMPLEDLEAF(CRL)編碼一個質(zhì)體外膜蛋白，突變影響質(zhì)體分裂，形成超大的葉綠體。參見Asanoetal.2004PlantJ第17頁,共63頁，2024年2月25日，星期天ConclusionThemorphologyandnumberofplastidsarehighlyregulatedinplantcells;Thisregulationmaintainsthepropershapeandcontentofplastidsinthecells.第18頁,共63頁，2024年2月25日，星期天光照強(qiáng)度對葉綠體分布及位置的影響。野生型（WT）擬南芥葉片呈深綠色。對葉片的一部分（整體遮光，中部留出一條窄縫）強(qiáng)光照射1小時后，被照射的窄縫處變成淺綠色。這是由于細(xì)胞中的葉綠體發(fā)生了位置和分布的變化，以減少強(qiáng)光的傷害。葉綠體通過位移避開強(qiáng)光的行為稱為躲避相應(yīng)（avoidanceresponse）。相反，在光照較弱的情況下，葉綠體會匯集到細(xì)胞的受光面。這種行為稱作積聚響應(yīng)（accumulationresponse）。在一種葉綠體定位異常的突變體（chup1）中，光照對葉綠體的位置和分布式去影響。箭頭指示光照的方向（小箭頭：弱光；大箭頭：強(qiáng)光）。部分圖片來自O(shè)ikawaetal.2003中的Fig.1，有改動。Chup1:chloroplastunusualpositioning1Chup1,葉綠體外膜蛋白，與actin結(jié)合第19頁,共63頁，2024年2月25日，星期天

葉綠體及原質(zhì)體膜向外延伸形成的柔性管狀結(jié)構(gòu)（箭頭指示）。該結(jié)構(gòu)具雙層膜，分別為葉綠體內(nèi)膜和外膜的直接延伸。由于葉綠體（或質(zhì)體）基質(zhì)隨小管延伸，基質(zhì)小管故而得名（stroma-filledtubule→stromule）。（a）光學(xué)顯微鏡下葉綠體表面出現(xiàn)基質(zhì)小管的連續(xù)過程；（b）GFP標(biāo)記葉綠體膜后熒光顯微鏡下觀察到的基質(zhì)小管；（c）三維重構(gòu)顯示的擬南芥卵細(xì)胞原質(zhì)體及復(fù)雜的基質(zhì)小管網(wǎng)絡(luò)。CP：葉綠體；PP：原質(zhì)體。Bar=10微米（a，b），2微米（c）。部分圖片來自Kohleretal.1997中的Fig.3以及Ishidaetal.2008中的Fig.5，有改動。第20頁,共63頁，2024年2月25日，星期天Developmentofchloroplasts第21頁,共63頁，2024年2月25日，星期天天竺葵葉綠體分裂過程中的Z環(huán)（a）及擬南芥葉綠體分裂裝置相關(guān)基因的突變表型（b）。注意內(nèi)環(huán)的免疫熒光在在葉綠體膜尚未發(fā)生縊陷的分裂早期最強(qiáng)，隨著葉綠體分裂的進(jìn)行而減弱。同時，與野生型（WT）相比，編碼ARC5、ARC6、PDV1的基因突變（arc5，arc6，pdv1-1和pdv1-2）后葉肉細(xì)胞內(nèi)出現(xiàn)大體積的葉綠體。Bar=1微米（a），10微米（b）。圖片來自Kuroiwaetal.2002中的Fig.1（a），Miyagishimaetal.2006中的Fig.2以及Glynnetal.2008中的Fig.5（b），有改動。(dynamin)被子植物葉綠體分裂裝置的定位。在葉綠體分裂的早期，內(nèi)膜下的Z環(huán)最先完成定位和組裝。葉綠體內(nèi)膜跨膜蛋白ARC6的N端伸向葉綠體基質(zhì),與FtsZ的相互作用，協(xié)助Z環(huán)組裝。同時，ARC6的C端伸向膜間隙,與外膜跨膜蛋白PDV2的C端相結(jié)合，將葉綠體膜內(nèi)的Z環(huán)位置信息傳遞到膜間隙。在PDV2的相同位置，還存在另一個C端較短跨膜蛋白PDV1。這兩個蛋白的N端均伸向細(xì)胞質(zhì)，共同招募ARC5。PDV1和PDV2的編碼基因雙突變后ARC5無法正常定位，而它們的單突變亦導(dǎo)致葉綠體分裂異常。引自Glynnetal.2008中的Fig.7。FtsZ第22頁,共63頁，2024年2月25日，星期天ConclusionThevolumeandnumberofchloroplastsareregulatedbyplastiddivisionsduringearlyleafdevelopment;Plastidfusionisnotobserved.However,stromuleprovidesdynamicconnectionsbetweenplastids,allowingallplastidsinacellasalsoadiscontinuouswhole.第23頁,共63頁，2024年2月25日，星期天PartIIfunction第24頁,共63頁，2024年2月25日，星期天Nojietal.1997Theγ-subunitrotatesinananticlockwisedirectionwiththerotarytorqueatmorethan40pN/nm.natureDirectobservationoftherotationofF1-ATPase第25頁,共63頁，2024年2月25日，星期天線粒體的生物化學(xué)氧化磷酸化（oxidativephosphorylation）電子傳遞鏈TCA循環(huán)提供的高能電子最終傳遞給O2，生成H2O。該電子傳遞的本質(zhì)是一個氧化過程（H→2e+H）。在這個過程中，高能電子中儲存的能量被轉(zhuǎn)化成膜間隙中的質(zhì)子梯度，驅(qū)動ATP合成（ADP+Pi→ATP）。-+核質(zhì)沖突nuclear-cytoplasmicincompatibility

第26頁,共63頁，2024年2月25日，星期天光反應(yīng)(電子傳遞)暗反應(yīng)(碳同化)合成ATP使用ATP第27頁,共63頁，2024年2月25日，星期天PartIIIinheritance第28頁,共63頁，2024年2月25日，星期天探索合子和雄配子體調(diào)控機(jī)制的分子生物學(xué)機(jī)理

MitochondrialDiseases人類：13個蛋白質(zhì)

85種疾病腦壞死、心肌病、腫瘤、不育、帕金森…CMS擬南芥：122個蛋白質(zhì)非孟德爾遺傳

----mitochondria第29頁,共63頁，2024年2月25日，星期天“Thespermcellistoosmalltocontainmitochondria.”R.Dawkins小則可以忽視？Whymaternal?第30頁,共63頁，2024年2月25日，星期天然而，細(xì)胞大小并不決定線粒體遺傳！第31頁,共63頁，2024年2月25日，星期天Chlamydomas

mating5minaftermatingFromKuroiwaetal.1982Maternalinheritanceofplastid(A)andpaternalinheritanceofmitochondrial(B)inCucumismelo.FromHaveyetal.1998C.melo第32頁,共63頁，2024年2月25日，星期天線粒體父系遺傳精細(xì)胞雖然小，但它可以攜帶很多線粒體DNA!第33頁,共63頁，2024年2月25日，星期天5.0x10550mtDNA(copies/cell)1.0x103EggSpermSomaticMaternalinheritancewithpaternalleakageat1.0x10-

4FromShirataetal.2000;Hechtetal.1984;Cummins1998;Gyllenstenetal.1991Additionalspermmitochondria,ifintroducedtothefertilizedeggsbymicroinjection,resultinremarkablepaternaltransmission.500foldduplicated20folddeclined第34頁,共63頁，2024年2月25日，星期天Digestionofspermmitochondriainthezygote.Ubiquitinationofmalemitochondria:UbiquitinatedprohibitinasaproteolyticmarkerFromThompsonetal.2003第35頁,共63頁，2024年2月25日，星期天ConclusionItisnotthesmallnessofspermcellthatdeterminesmaternalinheritance;TherelativeinputsofspermandeggmtDNAarecriticalformitochondrialinheritance;Anubiquitin-mediateddegenerationofspermmitochondriaissuggestedtoactasatriggerformaternalinheritance.第36頁,共63頁，2024年2月25日，星期天Non-MendeliangeneticsnogenesnomutantsInplants,thefirststepistounderstandhoworganelleinheritanceisregulatedatthecellularlevel.DegradationofmalemtDNAformaternalinheritance第37頁,共63頁，2024年2月25日，星期天Isolationofgameticcellsforsingle-cellPCRtodeterminethecopynumberofmtDNA第38頁,共63頁，2024年2月25日，星期天TargetSequences:maturasecoxICompetitivePCR第39頁,共63頁，2024年2月25日，星期天sensitivecompetitive第40頁,共63頁，2024年2月25日，星期天MitochondrialDNAisnotamplifiedintheeggcellsofA.thaliana,A.majusandN.tabacum.第41頁,共63頁，2024年2月25日，星期天ThespermcellsofA.thaliana,A.majusandN.tabacumcontainlessthan1copyofmtDNA.WhereasthecellsofC.meloandP.zonalecontainmorethan200copies.Maledetermines!第42頁,共63頁，2024年2月25日，星期天Insufficiencyofmitochondrialgenomes第43頁,共63頁，2024年2月25日，星期天Mesophyllcell:670mt;61.7mtDNA0.092copies/mt(1/11)Eggcell:759mt;59.0mtDNA0.078copies/mt(1/13)Spermcell:9and15mt;0.083mtDNAdegradationSimilaritybetweeneggandsomaticcells第44頁,共63頁，2024年2月25日，星期天精細(xì)胞里線粒體DNA發(fā)生降解精細(xì)胞里線粒體DNA成倍增加母系遺傳父系遺傳非孟德爾遺傳男生說了算?。ú徽搨€頭個?。┑?5頁,共63頁，2024年2月25日，星期天DNA結(jié)合蛋白可抑制線粒體DNA的下調(diào)DNA結(jié)合蛋白第46頁,共63頁，2024年2月25日，星期天ConclusionThemalegameteplaysacriticalroleinregulatingmitochondrialinheritanceinangiosperms;MolecularmechanismscontrollingmtDNAlevelsinthemalegameteareimportantmechanismsofmitochondrialinheritance.DNase;DNApolymerase;Tfam;Abf2p;helicase…第47頁,共63頁，2024年2月25日，星期天M.jalapaP.zonaleNon-MendelianGeneticsCarlCorrens(1864-1933)ErwinBaur(1875-1933)biparentalinheritancematernalinheritance第48頁,共63頁，2024年2月25日，星期天PlastidinheritanceDistributionofplastidsduringthefirstpollengrainmitosisdeterminesplastidinheritance.第49頁,共63頁，2024年2月25日，星期天PotentialBiparentalPlastidInheritance(PBPI)isasensitiveindicatorofbiparentaltransmission.DAPIstaining第50頁,共63頁，2024年2月25日，星期天第51頁,共63頁，2024年2月25日，星期天第52頁,共63頁，2024年2月25日，星期天ModeofCytoplasmicInheritancein295AngiospermsZhangetal.2003PlantCellPhysiol第53頁,共63頁，2024年2