Cell：吴军团队开发强制线粒体自噬技术，揭示线粒体在多能干细胞和胚胎发育中的关键作用__财经头条_

来源：生物世界

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

线粒体（mitochondrial）是真核细胞中的重要细胞器，其与真核细胞之间的共生关系大约可追溯到 17 亿年前。这种共生关系对于整个真核生物域的进化、多样化以及生存至关重要。

经过几十年的研究，线粒体早已超越了其作为细胞内“能量工厂”的刻板印象，人们认识到线粒体还在细胞凋亡、分化、信号转导、衰老以及发育时机等多种细胞过程中发挥着至关重要的作用。然而，哺乳动物发育在多大程度上依赖线粒体，仍是一个悬而未决且基础性的问题。

2025 年 6 月 10 日，德克萨斯大学西南医学中心吴军教授团队在国际顶尖学术期刊 Cell 上发表了题为：Unraveling mitochondrial influence on mammalian pluripotency via enforced mitophagy的研究论文。

该研究开发了一种强制线粒体自噬新技术，能够在体外或体内减少或完全去除线粒体，使用该技术，研究团队揭示了线粒体对细胞多能性的影响，还发现了线粒体数量的降低会导致着床前小鼠胚胎发育延迟。这项研究为探索线粒体在发育、疾病和跨物种生物学中的作用开辟了新途径，还有望促进线粒体疾病的研究和疗法开发。

最近，有研究人员构建了人类与黑猩猩之间的种间复合（或杂交）多能干细胞（PSC），为源自细胞核基因组（nDNA）差异的人类特有特征提供了见解。然而，该系统尚未被用于研究线粒体基因组（mtDNA）的差异。

在过去的约 600 万至约 1800 万年里，人科动物（即类人猿）的线粒体基因组（mtDNA）变得越来越不同，导致 mtDNA 中出现了数千种自然发生的核苷酸变化。通过生成具有物种特异性线粒体含量的跨物种复合多能干细胞，我们可以评估线粒体基因组的进化变化对多能细胞及其后代的影响。

在这项最新研究中，研究团队利用细胞中的线粒体自噬（mitophagy）途径（细胞通常通过该途径来处理老化或受损的线粒体），开发了一种名为强制线粒体自噬（enforced mitophagy）的方法，能够降解细胞中的所有线粒体。该方法首先在细胞内表达 PRKN 蛋白，这是一种 E3 泛素连接酶，可被招募到功能失调的线粒体中以促进线粒体自噬，然后使用用寡霉素 A 和抗霉素 A（A/O）处理细胞，这两种线粒体解偶联剂可使线粒体膜去极化，从而在表达 PRKN 的细胞中刺激广泛的线粒体自噬。

研究团队利用该技术生成了不含线粒体的多能干细胞（PSC），用于研究线粒体在细胞多能性和胚胎发育中的作用。

结果显示，通过强制线粒体自噬去除了所有线粒体的多能干细胞会停止分裂，但其仍可在没有线粒体的情况下在培养皿中存活 3-5 天时间。研究团队将该策略进一步应用于另外三种多能干细胞系——小鼠胚胎干细胞（mESC）、小鼠上胚层干细胞（mEpiSC）以及携带导致线粒体脑肌病伴乳酸血症和卒中样发作（MELAS）的致病性线粒体 DNA 突变的人诱导多能干细胞（hiPSC），均显示了类似结果。这表明了强制线粒体自噬可作为一种跨物种和细胞类型的消除细胞内线粒体的可行工具，将来可能为线粒体疾病提供新的研究和治疗方案。

研究团队进一步评估了去除了所有线粒体的多能干细胞的核基因表达情况，结果显示，核基因组中有 788 个基因变得不那么活跃，有 1696 个基因变得更活跃。对受影响基因的进一步分析显示，多能干细胞似乎保留了分化和形成其他细胞类型的能力，还弥补了线粒体的缺失，接管了能量产生和其他一些通常由线粒体执行的功能。

研究团队将人类多能干细胞与人类的最近亲——非人人科动物（黑猩猩、倭黑猩猩、大猩猩和红毛猩猩）的多能干细胞进行融合，形成跨物种复合细胞，结果发现，这些复合细胞会选择性去除非人人科动物的线粒体基因组，只保留人类的线粒体基因组。

接下来，研究团队使用强制线粒体自噬，预先去除了人类多能干细胞中的所有线粒体，然后将其与非人人科动物（即类人猿，包括黑猩猩、倭黑猩猩、大猩猩和红毛猩猩）的多能干细胞分别融合，每种融合的多能干细胞都具有人类和一种非人人科动物的核基因，但只有一种非人人科动物的线粒体基因。利用这些细胞，研究团队发现，尽管已经过数百万年的进化分离，人类与这些非人人科动物的线粒体在支持多能性方面大体上是可以互换的，它们在复合细胞中只引起了细微的物种特异性转录和代谢变化。

最后，研究团队开发了一种基于过度激活 PINK1-PRKN 线粒体自噬通路的转基因强制线粒体自噬方法，该方法能够显著降低小鼠胚胎中的线粒体数量，然后将这些线粒体数量减少的小鼠胚胎植入母鼠体内进行发育研究，结果显示，如果装床前胚胎丢失了约 65% 的线粒体，会导致着床失败，而丢失三分之一线粒体的胚胎则会出现发育延迟，但仍能顺利着床，并在受精后 11-12 天将线粒体数量调节回正常水平，也能够顺利完成正常发育过程。