線粒體擬核(英語:mitochondrial nucleoid)是一種存在於線粒體內類似原核細胞擬核的結構,是由線粒體DNA(mtDNA)和多種蛋白質組成的核蛋白複合物。線粒體擬核一般呈顆粒狀分布於線粒體基質的特定位置,並經某些蛋白質錨定在線粒體內膜內側表面上。[1]線粒體擬核能直接或間接地與驅動蛋白進行相互作用,在線粒體分裂中作為mtDNA分離的基本單位。[2] 目前已在多種真菌植物哺乳動物的線粒體中發現了擬核,說明該結構可能是真核細胞內mtDNA的普遍存在形式。

線粒體擬核的密度遠高於間期細胞核,甚至高於細胞分裂中期染色體。這說明mtDNA必須進行壓縮摺疊才能裝配成緊湊的擬核。[3]酵母菌為例,根據生理狀態的不同,單個酵母菌中可含有10-40個線粒體擬核,平均每個擬核中則可含有1-2個mtDNA分子釀酒酵母線粒體擬核的直徑約為400nm,遠小於鬆弛狀態下長約25μm(80kb)的mtDNA。釀酒酵母中執行裝配擬核功能的是線粒體DNA結合蛋白Abf2(ARS-binding factor 2),該蛋白能將mtDNA進行壓縮而不影響mtDNA基因轉錄。哺乳動物線粒體擬核的形態和分布與釀酒酵母中的相似:在人的ECV304細胞中,mtDNA組成約475個擬核,不連續地分布於線粒體中, 每個擬核含6-10個mtDNA。

歷史

編輯

線粒體擬核是在20世紀70年代被發現的。1974年研究人員用氨銀染色法多頭絨泡菌Physarum polycephalum)線粒體中觀察了這種顆粒結構。[4]隨後,在1976年人們成功將其從線粒體中分離出來,並利用SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳證實線粒體擬核中含有蛋白質。[5]1984年,研究人員發現線粒體擬核的形態在細胞的不同生理狀態、細胞周期不同時期中組成、形態都不同。[6]進入21世紀後,線粒體擬核的組織結構和遺傳模式已被較系統地闡明。[7]

組成

編輯

線粒體擬核除了含有mtDNA外,還包含多種蛋白質(許多為酶類),這些蛋白質可統稱為「線粒體擬核相關蛋白」。現已鑑定的釀酒酵母擬核相關蛋白有23種,哺乳動物線粒體擬核中的蛋白組分也已基本鑑定。

分裂與分離

編輯

線粒體的擬核與細胞核一樣會在DNA複製後發生分裂。而線粒體分裂時則伴隨着擬核的分離和重新分布,產生的每個線粒體至少含有一個擬核。[8] 線粒體擬核的分裂與線粒體本身的分裂不一定是同步的, 具有物種差異性。在人類體細胞中, 線粒體擬核的分裂與線粒體分裂不是同步的(即擬核可以在線粒體未分裂的情況下進行分裂;同樣地, 在細胞邊緣也觀察到線粒體分裂而擬核不分裂的情況)。而在多頭絨泡菌中,兩者則是同步進行的。線粒體擬核可通過蛋白質複合物錨定至細胞骨架,從而可利用分裂過程中線粒體膜的分離,將擬核分配到兩個子線粒體中。[9]

作用

編輯

線粒體中的mtDNA和蛋白質被裝配成線粒體擬核結構,是為了在線粒體內高活性氧的環境中以蛋白質保護DNA,防止DNA損傷突變。即使發生了損傷,擬核中的多個mtDNA分子集中在某一區域也可以作為彼此的模版進行DNA修復。在線粒體分裂時, 擬核還可能直接參與遺傳物質的分離,從而使子代線粒體mtDNA含量保持一致。此外,擬核某些蛋白可將mtDNA與線粒體的代謝途徑直接聯繫起來, 使線粒體能迅速根據代謝情況來調整mtDNA的表達水平。[10]

參考文獻

編輯
  1. ^ Kucej M, Butow RA. Evolutionary tinkering with mitochondrial nucleoids (PDF). Trends in Cell Biology. Dec 2007, 17 (12): 586–592. PMID 17981466. doi:10.1016/j.tcb.2007.08.007 (英語). 
  2. ^ Chen XJ, Butow RA. The organization and inheritance of the mitochondrial genome. Nature Reviews Genetics. Nov 2005, 6 (11): 815–825 [2011-09-03]. PMID 16304597. doi:10.1038/nrg1708. (原始內容存檔於2017-06-09) (英語). 
  3. ^ J F Diffley, B Stillman. A close relative of the nuclear, chromosomal high-mobility group protein HMG1 in yeast mitochondria (PDF). Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. Sep 1, 1991, 88 (17): 7864–7868. PMID 1881919 (英語). 
  4. ^ T. Kuroiwa and M. Hizume. Mitochondrial nucleoid staining with ammoniacal silver 87 (2): 406–409. Aug 1974. PMID 4137845. doi:10.1016/0014-4827(74)90504-7 (英語). 
  5. ^ T. Kuroiwa, S. Kawano and M. Hizume. A method of isolation of mitochondrial nucleoid of Physarum polycephalum and evidence for the presence of a basic protein. Experimental Cell Research. Feb 1976, 97 (2): 435–440. PMID 942924. doi:10.1016/0014-4827(76)90638-8 (英語). 
  6. ^ Miyakawa I, Aoi H, Sando N, Kuroiwa T. Fluorescence microscopic studies of mitochondrial nucleoids during meiosis and sporulation in the yeast, Saccharomyces cerevisiae (PDF). Journal of Cell Science. Mar 1984, 66: 21–38. PMID 6378943 (英語). 
  7. ^ Chen XJ, Wang X, Kaufman BA, Butow RA. Aconitase couples metabolic regulation to mitochondrial DNA maintenance. Science. Feb 4, 2005, 307 (5710): 714–717. PMID 15692048. doi:10.1126/science.1106391 (英語). 
  8. ^ Chan DC. Mitochondrial fusion and fission in mammals (PDF). Annual Review of Cell and Developmental Biology. Nov 2006, 22: 79–99 [2011-09-03]. PMID 16704336. doi:10.1146/annurev.cellbio.22.010305.104638. (原始內容 (PDF)存檔於2018-01-14) (英語). 
  9. ^ Boldogh IR, Nowakowski DW, Yang HC, Chung H, Karmon S, Royes P, Pon LA. A protein complex containing Mdm10p, Mdm12p, and Mmm1p links mitochondrial membranes and DNA to the cytoskeleton-based segregation machinery (PDF). Molecular Biology of the Cell. Nov 2003, 14: 4618–4627 [2011-09-03]. PMID 13679517. doi:10.1091/mbc.E03-04-0225. (原始內容 (PDF)存檔於2005-11-09) (英語). 
  10. ^ 何向宇、金利平、劉忠、嚴慶豐. 线粒体拟核结构及相关疾病研究进展 (PDF). 中國細胞生物學學報. 2011, 33 (2): 173–181 [2011-09-03]. (原始內容 (PDF)存檔於2016-03-04) (中文).