文摘
尽管传统上被视为“强国”的细胞,一个快速增长的领域积累的证据线粒体生物学支持额外的角色的线粒体多种细胞功能的重要参与者。虽然已经建立了在不同组织线粒体有独特的超微结构特征与微分生物能量学的要求一致,最近和新兴技术流式细胞术的进步,成像,基于“组学”的生物信息学才刚刚开始探索线粒体内的复杂和不同性质组织和细胞类型。此外,当代研究评估线粒体的作用在多能干细胞,细胞重新编程,和分化的潜在重要性线粒体亚种群和干细胞生物学领域的异质性。本文评估当前文学关于线粒体亚种群在细胞和组织类型和评估当前的理解线粒体多样性和异质性如何影响细胞多能干细胞命运规范。
1。线粒体结构和多样性
线粒体是无处不在在真核生物和细胞生物能疗法至关重要。经典的线粒体超微结构的特性,由外膜和内膜含有内陷组成matrix-rich看来是专门组织的方式修改以满足cellular-explicit能源需求。线粒体形态细胞和组织类型之间的差异,以及在细胞内的定位和分布记录(1,2],最近,它已经表明,即使在一个细胞,线粒体功能波动迅速响应改变代谢状态(3,4]。虽然线粒体的超微结构的精确分子机制重构的主题调查与剩下的被发现,观察线粒体表型多样性包括一系列的大小(直径从0.1微米到1.0微米),形状(球形拉长和管状),和嵴密度(从本质上缺乏嵴密集嵴)。线粒体形式与功能,早期的研究推测,线粒体嵴密度可以增加表面积,从而提高氧化磷酸化(5]。与后续努力识别内膜含有电子传递链的组件和ATP生成能力与嵴面积呈正相关(了6]),能源生产和线粒体形态之间的关系,与特定的内膜,嵴结构修改,变得越来越清晰。例如,ATP合酶二聚作用已被证实能控制生物起源的内膜,嵴的形成,和寡聚化F1FO-ATP合成酶调解嵴的形成提出了调制内膜曲率(7- - - - - -10]。此外,大量的候选蛋白参与调制嵴的形成及内膜组织已确定在生物模型特别是与人类疾病病理生理状态(了5])。线粒体形态动力学也依赖于核裂变和核聚变的内外膜,由大型gtpase [11- - - - - -13),包括胞质DRP1 [14],mitofusin (MFN)蛋白1和2 (MFN1和进行MFN2) (15),视神经萎缩1 (OPA1) [16- - - - - -19]。
虽然细节关于这些nuclear-encoded蛋白质已被证明参与线粒体重塑研究了近二十年,广泛地查阅其他地方(4,20.),远不及对控制线粒体突变表型的细胞信号机制以及这如何发生在组织的基础上分化过程中。在未分化的胚胎干细胞(ESCs),线粒体是概括为拥有一种球状造型,定义了几个嵴和氧化能力有限21]。这个卵圆形线粒体形态和嵴排列是相当惊人的(21,22),在卵母细胞(图也观察到1),以及内细胞团的ESCs blastocysts-the原始来源(23]。低密度矩阵和嵴与缓慢静脉线粒体呼吸状态,三世线粒体快速呼吸状态相比,有更高的矩阵,嵴密度和形态“浓缩”超微结构24- - - - - -26]。值得注意的是,低嵴密度和卵圆形结构,以及独特的细胞核周围的本地化,正在考虑作为细胞的功能“具备干细胞”,被发现在成年体细胞干细胞和干细胞重新编程(即。,则21,27,28),除了众多ESC线。有趣的是,观察线粒体的修改模式的自发分化恒河猴成年间充质细胞(MSC)线(电视线)演示了在干细胞数量和异质性导致线粒体定位的假定(偏离细胞核周围的地区)可能是一种机制,通过这种机制来监控分化状态,体外(28),虽然这仍有待坚定,和适用性可能细胞类型,status-dependent细胞核周围的定位可以诱导疾病状态和缺氧的条件下,细胞凋亡在nonstem细胞系(29日- - - - - -31日]。详细分析几个nonstem细胞类型,包括海拉,HUVECs, COS-7,皮质星形胶质细胞,和主要的肝细胞,也展示了异质性对分布和功能性质(32]。虽然在每一个细胞类型检查,线粒体在细胞体内分布,皮质星形胶质细胞和HUVECs演示不同的细胞核周围的集群,在海拉和COS-7少明显缺席在原发性肝细胞(32]。功能,指出,每一个细胞类型表现出异质性在线粒体膜电位(潜在(Δψm)),因为每个细胞类型检查包含不同的种群线粒体Δ同时拥有高或低ψ米,没有一个高低Δ线粒体包含地区ψΔm。定量分析ψ米海拉细胞表明线粒体局部细胞核周围的地区与低Δ有更大比例的线粒体ψm和更与内质网(ER)比密切相关外围地位于同行(32]。
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线粒体形态外貌的变化过程中分化特征并不好,尽管这很好理解,组织类型([之间线粒体超微结构变化显著1),图1)。在最近的一项研究评估线粒体功能的变化,伴随着进步MSC分化成内皮血统、心等人评估线粒体数量,长度,常驻区/细胞,形态。符合所需的高能源需求分化之后,随后下降作为终末分化表型细胞的方法,作者认为线粒体数量,每单元面积,长度和形态的复杂性减少相应的差异化的发展(33]。具体地址在分化过程中发生的线粒体重新配置,弗尼等人监视线粒体质量的变化,形态、动态、和生物能学MSC分化为骨细胞、软骨细胞、脂肪细胞谱系。数据显示,线粒体进行MFN2伸长和增加MFN1发生在脂肪细胞和成骨分化的早期阶段,而软骨形成与一个支离破碎的线粒体表型相关。引人注目的是,msc的分化能力进行Mfn2击倒后抑制脂肪形成和骨生成,而显性负Drp1阻碍软骨形成分化能力(34]。在一起,这些数据提供了强有力的证据的基本作用线粒体动力学,包括线粒体超微结构的调制,在分化过程。
虽然代谢和结构重构在细胞分化是新兴的研究领域在线粒体和干细胞生物学,线粒体异质性同样适用于特定的一个组织或细胞内线粒体亚种群仍然是一个相当under-characterized组件在细胞生物学。这很好理解,在生理条件下,细胞具有异构线粒体数量基于膜电位的差异(Δψ米(32,35,36])。用低Δ线粒体ψm是通常被认为是新陈代谢静止(“休息”或损坏),而那些Δ很高ψ米被视为新陈代谢活跃(“呼吸”)。然而,这有几点是需要注意的泛化,包括Δψm是由电子传递链之间的平衡ATP合成酶。因此,即使well-coupled线粒体可以减少Δ(呼吸)ψm。Δ的异质性ψm单个细胞内和相邻细胞之间可以观察体外使用荧光化合物,如JC-1 (5、5′, 6, 6′-tetrachloro-1, 1′, 3、3′-tetraethylbenzimidazolylcarbocyanine碘化)。JC-1经历转变光谱荧光从绿色(新陈代谢活性的线粒体)的橙色在转换从单体的(绿色)聚合(橙色)形式积极线粒体呼吸。利用的总荧光性质JC-1检测线粒体呼吸状态的差异在未分化的人类ESCs (H9), Kumagai等人最近证明Δ的变化ψm(如细胞更多的聚合状态JC-1)在未分化的ESC殖民地可以作为一个简单的视觉预测指标的细胞正在分化的早期阶段(37]。由于主要代谢依赖糖酵解在未分化状态(38- - - - - -41Δ),观察到的增加ψm与氧化磷酸化是第一个标记来区分辨别细胞混合文化。因此,线粒体代谢变化已经被提议作为干细胞分化的早期征兆(38- - - - - -41),尽管这些变化如何发生在细胞特定类型的基础上和代谢转移到细胞命运的关系规范仍然没有那么明确。然而,它已经表明,线粒体活动和干细胞功能紧密的联系在一起。在隔离未分化的鼠标的ESCsΔ基于差异ψm, Schieke等人得到了两个截然不同的群体的ESCs的基于形态学是没有区别的,但有相当不同的耗氧率(低Δ休息ψ米,Δψ毫升;高Δψ米,ΔψmH)。分化潜力的分析显示,在骨形成蛋白4 (BMP-4)没有白血病抑制因子(生活),促进中胚层规范,Δψ毫升的ESCs表现出明显比Δ更大的中胚层分化的能力(10倍)ψmH ESCs,而ΔψESCs mH倾向更大比Δ畸胎瘤的形成ψESCs毫升(42]。此外,雷帕霉素治疗,一种mTOR的有效抑制剂,导致Δ下降ψm和耗氧量的未分化的鼠标的ESCs和增强BMP-4-induced中胚层分化(42]。总之,这些数据表明线粒体代谢功能强大的内在联系和干细胞的命运。
改变ΔψESCs m在人类也被证明是一个体外年龄的结果(例如,通过数字)。在未分化H9 PKU1细胞系,Δψm late-passage细胞显著增加年轻同行相比。Δ升高的ψm也与线粒体总量的增加和一代的活性氧(ROS) (43]。ESCs Late-passage人类也表现出分化的能力降低。虽然early-passage细胞分化均匀成外胚层的、中胚层和内胚层的血统,high-passage细胞优先分化成外胚层的血统,虽然作者承认长期的影响持续时间不能排除文化,而不是直接相关的通道号细胞系(43]。鉴于额外建立具备干细胞的标记,如端粒酶活性和多能性标记,未受影响的通道数,体外年龄对线粒体功能的影响是惊人的和可能代表一个额外的因素筛选干细胞治疗潜力。这种类型的体外老化对线粒体的细胞则有相似的影响。之间的直接比较万能干细胞培养1月postcellular重组(年轻的万能)和培养的细胞则超过1年(万能岁),H2O2端依赖Δψ米去极化速度发生在年龄比观察到的细胞则在“年轻”同行,展示与体外对抗氧化剂接触能力减弱。此外,体外神经发生减少在老年人的能力则与年轻的万能(44]。
尽管新兴证据支持Δ的角色ψ具备干细胞在维护,线粒体亚细胞异质性对细胞功能的影响,包括分化,没有评估。基于一系列研究单个细胞内线粒体的属性(34,35),“库兹涅佐夫”和Margreiter巧妙地描述线粒体异质性属于4主要分类(综述[45):(1)超微结构线粒体大小(0.2范围μ米至1.0μ米)、形状(圆形细长的管状),嵴密度(不可见嵴/ vacuole-like外观致密嵴)和单独或物理网络可以找到;跨组织超微结构的变化,以及单个细胞内;和裂变未来事件,以及呼吸状态,也对形态的影响;(2)功能性质线粒体氧化还原状态可以不同,呼吸,intramitochondrial Ca2 +和活性氧(ROS)水平,线粒体蛋白质成分和含量,Δψm;(3)行为线粒体氧化应激的反应是不一样的,饥饿,凋亡刺激,和mitophagy信号表现出选择性对毒素和底物的反应;(4)动力学细胞特定类型细胞内定位,振荡运动,易位事件,灯丝扩展和收缩,核裂变和核聚变事件(45]。另外,新的证据也表明heteroplasmy线粒体DNA (mtDNA)在单个细胞水平(46),引入另一层亚细胞线粒体的异质性。然而,尽管认识到线粒体内细胞可能具有不同的功能,精确描述的亚细胞线粒体亚种群已被证明具有挑战性,由于特定线粒体的分离困难亚型进行进一步分析(45- - - - - -47),而大部分仍有待发现。在讨论有关Δ线粒体异质性ψΔm, Wikstrom等人提出,低ψm代表了一种机制,通过这种机制线粒体是选择性地针对自噬(36]。虽然动态定义mitophagy尚不清楚,它已经表明,线粒体去极化自噬(之前48,49),加入一个preautophagic线粒体池(49)的特点是体积小,减少线粒体融合蛋白的水平,OPA1 [49,50]。还提出,线粒体异质性可能导致保存,作为减少代谢活动来维持基因组完整性(42]。
2。组织特异性线粒体亚种群
除了上面提到的线粒体形态的差异,线粒体也不同功能和已知参与新陈代谢以外的细胞过程。这样的功能特点和无处不在,包括细胞死亡和分化,细胞内Ca2 +监管、氧气传感和活性氧生成,而另一些则细胞和组织特定类型,如类固醇激素生物合成、激素信号和响应性,生热作用,hemesynthesis、加工的毒素51]。这些复杂的过程,除了那些与新陈代谢有关,与原子核通过进行双向沟通。在人类中,13个蛋白,以及2核糖体rna和22个图示,由37个基因编码包含在小圆线粒体基因组(16569个基点)。蛋白质作为线粒体电子传递链的关键成分(等)蛋白复合物I-IV嵌入内线粒体膜。然而,线粒体蛋白质成分估计接近1500的蛋白质(52由核基因编码,大概是为了执行不同的功能由线粒体。其中,大约1000个蛋白质已确定(尽管不是功能特点)53),绝大多数预测定位线粒体内膜和矩阵(54,55]。然而,线粒体蛋白质成分是不固定的,也不是一致的组织类型之间。全副武装的蛋白质组学研究使用ultrapurified线粒体准备显示大脑惊人的成分差异,肾脏,肝脏,心脏线粒体,线粒体蛋白质识别确定,只有57%的是一贯表达之间的研究组织(55]。有近一半的线粒体的蛋白成分组织类型之间的不同,细胞线粒体功能的特定类型差异也凸显了。虽然线粒体高度形态之间的异构组织(1,56),蛋白质组的详细信息资料线粒体亚种群在单个细胞或组织类型缺乏,是有关ESC线粒体蛋白质组的信息57]。线粒体蛋白质组分析在多能干细胞发生转型的变化与重组和分化可能提供重要的信息关于干细胞研究的效用,定向分化策略改善、治疗和再生医学。
鉴于线粒体蛋白质组的复杂性和多样性概要文件在线粒体亚型,难怪线粒体服务执行不同的函数谱更多剩余的被发现。特征明显更多的线粒体中类型在一个组织中有两个心脏线粒体亚种群,subsarcolemmal线粒体(SSM)和纤维间线粒体(IFM)。最初表现为观察超微结构的差异这两个种群之间位于肌纤维膜和肌原纤维之间物理隔离的线粒体亚型分别显示不同的生化功能性质(58]。具体来说,琥珀酸脱氢酶和柠檬酸合成酶活动高架在IFM人口比导弹、和氧化底物的发现进行快1.5×IFM隔离比导弹准备(58]。随后,Ca2 +IFM的吸收能力和导弹相对不同,作为进一步线粒体两个亚种群之间的异质性的指标(59),尽管隔离策略的差异可能会影响一些结论。此外,IFM证明高蛋白进口苹果酸酶的前体和鸟氨酸carbamoyltransferase [60]。然而,由于技术难度的隔离程序,深入比较实验表征两个亚型之间的阻碍。最近,波多野等人开发了一种三维计算模型,集成电生理学,新陈代谢,并与亚细胞结构力学。使用这个有趣的多方面的模拟方法,作者证明了亚细胞环境调节线粒体功能的影响(61年]。虽然个人内在功能的线粒体数量之间的差异不能被检查在这项研究中,这项工作突出了亚细胞内线粒体工作”,“微环境信号可以控制功能。认为线粒体亚种群是有趣的受访者的微环境内(类似于干细胞利基)。作为第一步评估在一个线粒体,线粒体heteroplasmy范教授等人开发了一个microrespirometer监视线粒体呼吸各个细胞器。使用这部小说技术方法,作者证实了线粒体呼吸耦合与非耦合之间的差异(47]。另外,我们自己的数据利用nanoparticle-sorting平台线粒体亚种群隔离的同样显示类似的功能耦合与非耦合之间的差异线粒体;然而,非耦合的一个子集可以诱导线粒体ATP生成微环境改变时(62年]。因为有了更多的可用信息关于内在线粒体差异,计算模型以及新兴技术来评估这样的线粒体亚种群可能会证明发展的宝贵的实验范式和可测试的假设。
3所示。结论
目前干细胞线粒体功能的理解是有限的范围和更广泛的线粒体生物学领域。鉴于分化细胞线粒体的高度专业化的特征类型,顺理成章地,一个单独的研究领域致力于线粒体命运规范和分化可能与干细胞领域共同进化。这样,干细胞作为一个优秀的模型来研究“线粒体分化。”作为每个线粒体包含DNA编码只有13个蛋白质,还包含一个subtype-specific蛋白质组学概要1500 nuclear-encoded蛋白质、核沟通的重要性在调节线粒体的功能变得越来越清晰。线粒体和细胞核在每个细胞器的基础上(即沟通。,why some are activated while others remain resting, how cell type-specific functions are executed) remains to be determined. As nanoscaled technologies emerge for the study of subcellular organelles, the mechanisms that govern mitochondrial heterogeneity and function will be elucidated and perhaps provide additional platforms and metrics for stem cell reprogramming and differentiation.
的利益冲突
d . c .伍兹宣布无利益冲突有关本文所包含的信息。