引言

在每一个细胞的内部，都存在着一个繁忙而古老的“能量工厂”——线粒体 (mitochondria)。自17亿年前，我们的真核祖先与一种古老的细菌达成共生协议以来，线粒体就成为了生命不可或缺的一部分。它不仅仅是教科书中那个生产三磷酸腺苷 (ATP) 的“动力车间”，更是细胞内信号转导、代谢调控、细胞凋亡乃至衰老过程的指挥中心。然而，正是因为它如此基础和重要，一个根本性的问题始终困扰着生命研究人员：如果一个细胞，特别是拥有无限潜能的多能干细胞 (pluripotent stem cells, PSCs)，突然失去了所有的线粒体，会发生什么？生命会即刻终止，还是会以一种我们未知的方式挣扎求存？这个问题的答案，不仅关乎我们对细胞生物学的基本理解，更可能藏着早期胚胎发育和物种演化的深刻秘密。

近期，一篇发表在《细胞》(Cell)上的研究“Unraveling mitochondrial influence on mammalian pluripotency via enforced mitophagy”，为我们带来了震撼的答案。研究团队开发出一种巧妙的技术，能够精准地“清空”细胞内的线粒体，像进行一次细胞层面的“熄火”实验。通过这项技术，他们不仅观察了失去线粒体的干细胞的奇特命运，还借此“导演”了一场跨越千万年演化鸿沟的“细胞融合”大戏，最终甚至量化了生命之初对线粒体的“能量预算”。

一键“清空”：如何让细胞“自噬”线粒体？

要研究线粒体缺失带来的影响，首要的挑战就是如何干净、彻底地移除它们。传统方法，如使用某些药物长期处理，往往效果不佳或副作用太大。因此，这项研究的第一个突破，就是建立了一套高效的“线粒体清除系统”。

这个系统的核心是一种被称为“强制性线粒体自噬” (enforced mitophagy) 的策略。线粒体自噬是细胞内一种天然的“质量控制”机制，当线粒体受损或功能失常时，细胞会启动自噬程序，像清理垃圾一样将其包裹并降解。研究人员巧妙地“劫持”并强化了这一过程。

他们构建了一种特殊的基因表达载体，这个载体能让细胞表达两种关键蛋白。第一种是mCherry蛋白标记的帕金蛋白 (mCherry-PRKN)。PRKN是一种E3泛素连接酶，在天然的线粒体自噬通路中，它像一个“死亡标签”粘贴工，一旦被招募到受损线粒体上，就会给线粒体外膜的蛋白贴上泛素标签，从而启动自噬。第二种是线粒体定位的绿色荧光蛋白 (Mito-EGFP)，它能特异性地聚集在线粒体中，发出绿色荧光，使线粒体的形态和数量在显微镜下一目了然。

研究人员将这个系统导入人类胚胎干细胞 (human embryonic stem cells, hESCs) 中。正常情况下，过表达PRKN并不会影响细胞的生长和多能性。然而，当研究人员向培养基中加入两种线粒体解偶联剂——抗霉素A (antimycin A) 和寡霉素A (oligomycin A)，即A/O组合时，奇迹发生了。这两种药物能迅速破坏线粒体膜电位，模拟出线粒体严重“受损”的假象。细胞内的PRKN蛋白接收到这个“警报”后，便会大规模地被招募到所有线粒体上，疯狂地贴上“死亡标签”，从而触发一场席卷整个细胞的、猛烈的线粒体自噬风暴。

这场“清空”行动的效果是惊人的，研究人员通过多种手段进行了验证：

1. 荧光显微镜观察：在加入A/O处理后，原本布满细胞质的绿色荧光 (Mito-EGFP) 随着时间推移逐渐变暗、消失。经过72小时，细胞内几乎看不到任何成形的绿色荧光斑点，表明线粒体在形态上已经被大规模清除。

2. 蛋白质水平检测：通过免疫荧光染色，研究人员检测了线粒体内膜上的标志性蛋白COXIV。在未经处理的对照组细胞中，COXIV呈现出清晰的线粒体网络结构；而在A/O处理72小时后，COXIV的信号几乎完全消失，证实了线粒体在蛋白质层面被清除了。

3. 基因组水平定量：线粒体拥有自己独立的环状DNA (mtDNA)，它编码了呼吸链上13个关键蛋白。研究人员通过实时定量PCR技术检测了mtDNA的拷贝数。结果显示，经过A/O处理后，细胞内的mtDNA水平下降了约97%，几乎达到了完全清除的水平。

4. 功能水平测定：线粒体的核心功能是进行氧化磷酸化，消耗氧气产生ATP。研究人员使用海马细胞能量代谢分析仪 (Seahorse Analyzer) 测量了细胞的耗氧率 (oxygen consumption rates, OCRs)。对照组细胞表现出活跃的呼吸功能，而线粒体被清除的细胞，其耗氧率则骤降至几乎为零的水平，表明其线粒体呼吸功能已完全停摆。

5. 超微结构观察：为了获得最直观的证据，研究人员动用了透射电子显微镜，以数千倍的放大率观察细胞内部的超微结构。在对照组细胞中，可以清晰地看到具有双层膜和嵴状结构的典型线粒体；而在处理过的细胞中，经过长时间的搜寻，也未能发现任何完整的线粒体结构。

通过这一系列严谨的验证，研究人员成功地建立了一套能够在短短几天内，将多能干细胞内的线粒体几乎“清零”的强大工具。这为后续探索“后线粒体时代”的细胞命运奠定了坚实的基础。

引擎骤停之后：没有线粒体的干细胞进入“僵尸”状态

当细胞的“生命引擎”被强制熄火，一个最直接的问题是：它还能活吗？答案是肯定的，但只是暂时的。研究发现，这些没有线粒体的多能干细胞 (PSCs) 可以在培养基中存活3到5天，这本身就是一个令人惊讶的发现。然而，它们进入了一种奇特的“僵尸”状态——虽然活着，但已经停止了分裂。细胞周期分析显示，这些细胞被卡在了G2/M期，无法完成细胞分裂。

更令人好奇的是，作为定义干细胞“身份”的核心，其多能性发生了怎样的变化？研究人员检测了OCT4、SOX2和NANOG这三个核心多能性转录因子。在刚完成线粒体清除的“第0天”，这些蛋白的表达依然强劲，细胞在身份上仍然是“多能干细胞”。然而，随着时间推移，从第2天开始，这些核心因子的表达水平开始逐渐下降，到第4天时则几乎完全消失。这表明，虽然干细胞的身份识别系统在短期内能够抵抗线粒体缺失的冲击，但线粒体对于维持其长期多能性是必不可少的。

为了彻底搞清楚线粒体缺失对细胞的全局影响，研究人员进行了一次全面的“多组学”分析，从转录组 (transcriptome)、蛋白质组 (proteome) 和代谢组 (metabolome) 三个层面，对这些“僵尸细胞”进行了深度扫描。

1. 转录组的混乱：基因表达的异常响应

RNA测序 (RNA-seq) 结果揭示了基因表达网络的剧烈动荡。与正常细胞相比，线粒体被清除的细胞中有788个基因的表达被显著下调，而多达1696个基因被上调。

意料之中的下调：如预期的那样，所有13个由mtDNA编码的基因在转录水平上都检测不到了。

令人意外的“执着”：细胞核中编码了超过1500个与线粒体功能相关的基因，例如线粒体核糖体蛋白、TCA循环酶等。令人惊讶的是，尽管线粒体这个“工厂”已经被拆除，但大约95%的核编码线粒体基因 (nuclear-encoded mitochondrial genes) 的转录水平依然维持正常。这就像一个汽车厂虽然被夷为平地，但上游的零件供应商还在源源不断地生产轮胎和发动机。这表明，细胞核对线粒体基因的转录调控，并不直接依赖于线粒体本身的存在，这揭示了核-质通讯的复杂性。

功能性的下调：被下调的基因主要富集在与染色质重塑、核小体组装和DNA复制相关的通路中，这与细胞停止分裂的表型完全吻合。

2. 蛋白质组的印证与补充

蛋白质是生命功能的直接执行者。蛋白质组学的分析结果在很大程度上印证了转录组的发现。大部分多能性相关蛋白和核编码线粒体蛋白的丰度在“第0天”依然保持稳定。被显著下调的蛋白质主要集中在呼吸作用和电子传递链 (electron transport chain, ETC) 相关的类别，这与线粒体的消失是直接对应的。

有趣的是，被上调的蛋白质中，富集了许多与物质运输、内吞、吞噬体相关的蛋白。这或许是细胞在失去线粒体后，试图通过增加从外界摄取营养物质的途径，来弥补内部生产能力的不足，是一种适应性的应激反应。

3. 代谢组的崩溃：釜底抽薪的致命一击

如果说转录组和蛋白质组的变化是“症状”，那么代谢组的变化则揭示了“病因”。代谢是连接基因型和表型的桥梁，而线粒体正是代谢网络的中心枢纽。代谢组的分析结果，为我们揭示了线粒体缺失后最致命的影响。

关键表观遗传底物的枯竭：细胞的表观遗传修饰，如DNA甲基化和组蛋白乙酰化，是调控基因表达、维持细胞身份的关键。这些修饰需要特定的代谢物作为“原料”。分析发现，两种至关重要的表观遗传底物遭受了毁灭性打击：其一是乙酰辅酶A (Acetyl-CoA)，它是组蛋白乙酰化的唯一供体，在线粒体缺失后，其水平降至检测不到；其二是S-腺苷甲硫氨酸 (S-adenosylmethionine, SAM)，它是所有甲基化反应的甲基供体，其水平也出现了戏剧性的下降。这两种关键代谢物的枯竭，很可能是导致干细胞多能性最终丧失的根本原因。

三羧酸循环 (TCA cycle) 的部分瘫痪：分析显示，循环中的多种中间代谢物，如柠檬酸/异柠檬酸、延胡索酸和苹果酸的水平显著降低。然而，一个惊人的发现是，α-酮戊二酸 (α-ketoglutarate, α-KG) 和 琥珀酸 (succinate) 这两种代谢物的水平却基本维持正常！这一发现表明，即使没有线粒体，细胞依然有其他途径来生产这两种关键的信号分子，以维持最基本的代谢和信号需求，揭示了细胞代谢网络的惊人韧性。

能量状态的伪装：尽管线粒体这个主要的ATP生产工厂已经停工，但细胞内的ATP水平却惊人地保持在正常水平。这说明细胞已经将能量代谢模式完全切换到了糖酵解 (glycolysis)，在细胞质中通过分解葡萄糖来疯狂地“饮鸩止渴”式地生产ATP。

有害代谢物的积累：代谢网络的紊乱，还导致了一些“毒物”的积累。其中最显著的是 2-羟基戊二酸 (2-hydroxyglutarate, 2-HG) 和 脲基琥珀酸 (ureidosuccinate)。2-HG是一种著名的“癌代谢物”，而脲基琥珀酸的积累则表明嘧啶合成通路被阻断了。

综合来看，失去线粒体的干细胞进入了一种奇特的、不可持续的生存状态。它在短期内维持了身份，但由于关键代谢通路（尤其是表观遗传底物合成）的崩溃，其多能性注定会逐渐瓦解。这个“僵尸”状态，深刻地揭示了线粒体是通过调控核心代谢物，特别是表观遗传底物，来支撑干细胞多能性的。

跨越千万年的“细胞融合”：人类与巨猿线粒体的演化之争

这项研究最令人拍案叫绝的部分，是研究人员利用他们开发的“线粒体清空”技术，解决了一个关于物种演化的经典难题。

我们知道，细胞核DNA (nDNA) 承载了绝大部分遗传信息，而线粒体DNA (mtDNA) 只是一小部分。在物种演化过程中，nDNA和mtDNA需要协同进化。我们与非人灵长类巨猿（Hominidae, NHH），如黑猩猩、大猩猩和猩猩，在数百万到上千万年的独立演化中，nDNA和mtDNA都积累了大量差异。例如，人类和猩猩的mtDNA序列差异高达约15%。

那么问题来了：如果我们将一个人类的细胞核与一个巨猿的线粒体组合在一起，它们能和谐共处吗？这种“跨物种”的组合会对细胞功能产生什么影响？

为了回答这个问题，研究人员首先进行了一个标准的细胞融合实验。他们将正常的人类胚胎干细胞 (hESCs) 与来自黑猩猩、倭黑猩猩、大猩猩和猩猩的诱导多能干细胞 (iPSCs) 进行融合。然而，一个一致的现象出现了：最终存活下来的复合细胞中，只留下了人类的mtDNA，而巨猿的mtDNA被完全清除了。这表明，在人类与巨猿的这场“线粒体竞争”中，人类的mtDNA表现出强烈的显性优势。

但是，这种优势是绝对的吗？巨猿的线粒体真的无法支持一个含有人类细胞核的复合细胞吗？这时，“线粒体清空”技术就派上了用场。研究人员设计了一个极为巧妙的实验流程：先将人类hESCs中的线粒体完全清除，得到“空的”人类干细胞，然后将这些细胞与正常的、携带自身线粒体的巨猿iPSCs进行融合。在这个设计中，巨猿的线粒体就无需“竞争上岗”，而是成为了唯一的选择。

结果再次令人震撼。通过这种方法，研究人员成功地构建了一整套“线粒体复合体”细胞系 (mitochondrial composites)。例如，他们创造了 HsPaHs 细胞（人-猩猩复合细胞核，携带人类mtDNA）和 HsPaPa 细胞（人-猩猩复合细胞核，携带猩猩mtDNA）。这两种细胞的细胞核遗传背景完全相同，唯一的变量就是线粒体的物种来源。通过对这个完美的“同卵双胞胎”模型进行深入分析，研究人员得出了两大关键结论：

高度的功能兼容性：这些携带了巨猿mtDNA的复合细胞，能够稳定地生长、分裂，并维持了核心多能性因子的表达。这表明，尽管相隔千万年演化，人科动物的线粒体在支持多能性这一基础功能上，是高度可互换的。猩猩的“引擎”完全可以驱动一辆含有人类和猩猩混合“底盘”的“汽车”。

微妙但显著的功能差异：虽然功能兼容，但不同物种的mtDNA在工作方式上还是存在微妙的差异。研究人员比较了HsPaHs和HsPaPa细胞，发现携带人类mtDNA的HsPaHs细胞表现出更强的氧化磷酸化水平，而携带猩猩mtDNA的HsPaPa细胞则更依赖于糖酵解。此外，转录组和代谢组分析也发现了两者之间存在显著差异，表明细胞核能够感知到线粒体的“国籍”不同，并进行微调。

这些发现揭示了一个深刻的演化原理：在漫长的演化过程中，线粒体和细胞核之间的“对话”被精细地打磨。虽然不同近亲物种的线粒体可以完成“维持多能性”这个基本任务，但它们各自与细胞核协同演化出的独特“方言”，使得它们在代谢效率和精细调控上，表现出物种特异性。

生命之初的“能量预算”：减少线粒体如何延缓早期胚胎发育？

在体外细胞实验取得巨大成功后，研究人员将目光投向了更宏大的问题：在线粒体丰度与整个生命体的早期发育之间，是否存在定量的关系？

为了在活体胚胎中研究这个问题，研究团队再次展现了其强大的工具开发能力，构建了一套转基因版本的强制性线粒体自噬系统。他们将研究重点放在了植入前的胚胎发育上，通过直接向小鼠受精卵中注射OMM-PINK1和PRKN的信使RNA (mRNA) 来模拟线粒体的减少，并设置了不同的mRNA浓度，观察对胚胎发育速度的影响。

实验结果清晰地揭示了线粒体丰度与发育节奏之间的定量关系：

存在一个“安全阈值”：注射低浓度 (20 ng/μL) 的mRNA，对胚胎的mtDNA含量和发育速度没有显著影响。

发育延迟的出现：当mRNA浓度提高到中等剂量 (200 ng/μL)，胚胎内的mtDNA水平平均下降了约32%。这导致了明显的发育延迟。这些胚胎分裂速度变慢，到达囊胚期所需的时间更长。

发育停滞与植入失败：当使用高浓度 (400 ng/μL) mRNA时，mtDNA水平下降约36%，导致了严重的发育停滞。这些胚胎绝大多数无法正常发育到囊胚期，即便被移植到代孕母鼠体内，也完全无法着床。

综合所有数据，研究人员得出了一个关键的量化结论：早期胚胎需要维持至少约65%的正常线粒体含量，才能保证其发育速度和最终的着床成功率。 一旦低于这个阈值，发育就会开始出现延迟甚至停滞。这就像生命之初有一个严格的“能量预算”，线粒体储量不足，就无法支付生命蓝图按时展开所需的“账单”。

更令人惊叹的是，研究人员发现，那些在中等剂量处理下虽然发育延迟、但最终成功着床的胚胎，表现出了强大的恢复能力。到了胚胎发育的第12.5天，它们体内的mtDNA水平已经完全恢复到正常。最终，这些胚胎能够发育成健康的、外表和行为与正常小鼠无异的成年个体。这充分展示了哺乳动物早期胚胎在面对代谢压力时的非凡韧性。

来自“引擎室”的回响：重塑我们对线粒体的认知

这项里程碑式的研究，如同一部情节跌宕起伏的大片，为我们带来了关于线粒体的一系列全新认知。

首先，研究人员开发出的强制性线粒体自噬工具，无论是化学诱导版还是转基因版，都为生命科学领域提供了一个前所未有的强大平台。它使得在体外和体内精确调控线粒体含量，从“清零”到“部分削减”，都成为了可能。

其次，通过对“无”线粒体干细胞的研究，我们窥见了线粒体对细胞命运的深层调控机制。它远非一个简单的“发电厂”，而是通过掌控关键代谢物（特别是乙酰辅酶A和SAM），直接扼住了细胞表观遗传调控的咽喉，从而决定了干细胞多能性的存亡。细胞对线粒体缺失的短期抵抗和最终崩溃，为我们描绘了一幅生动的细胞生存依赖图景。

再次，那场在培养皿中上演的、跨越千万年演化史的“细胞融合”实验，优雅地回答了关于线粒体-细胞核协同演化的经典问题。它证明了人科动物线粒体在支持生命核心功能上的高度保守性和兼容性，同时也揭示了百万年演化所累积的微小mtDNA差异，足以在代谢表型和基因表达上留下清晰的“物种指纹”。

最后，对早期胚胎的研究，首次为“线粒体丰度”这一概念赋予了定量的生理学意义。那个约65%的“发育阈值”，为我们理解不孕不育、早期流产等生殖问题中线粒体可能扮演的角色，提供了全新的视角。

这项研究的意义远不止于此。它为研究线粒体相关疾病（如MELAS综合征）、探索核编码线粒体蛋白在细胞质中的“非本职工作”、以及揭示更远物种间细胞融合的规则，都打开了全新的大门。它告诉我们，线粒体这个古老的细胞内共生体，它的回响不仅仅是能量的嗡鸣，更是决定细胞身份、调节发育节奏、镌刻演化历史的深刻交响。每一次呼吸，每一次心跳，都离不开这个来自远古的“引擎室”所提供的、远超能量本身的生命之力。

参考文献

Schmitz DA, Oura S, Li L, Ding Y, Dahiya R, Ballard E, Pinzon-Arteaga C, Sakurai M, Okamura D, Yu L, Ly P, Wu J. Unraveling mitochondrial influence on mammalian pluripotency via enforced mitophagy. Cell. 2025 Jun 5:S0092-8674(25)00570-7. doi: 10.1016/j.cell.2025.05.020. Epub ahead of print. PMID: 40499542.

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