MitoFLUX-EM reveals damaged mitochondria are captured by pre-existing mitolysosomes during PINK1-dependent mitophagy in the heart
通过开发用于追踪体内细胞器周转的 MitoFLUX-EM 技术，研究人员发现心脏中依赖于 PINK1 的线粒体自噬是通过一种新型的微自噬机制运作的，即预先存在的线粒体溶酶体直接捕获并降解受损的线粒体，而无需外膜破裂。
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在跳动的心脏内部，被称为线粒体的微型发电厂正不知疲倦地工作，产生维持每个细胞生命的能量。就像任何持续运转的机器一样，这些发电厂最终会磨损或受损。如果受损的线粒体没有被移除，它们就会堆积并可能毒害细胞，这一过程与心力衰竭和帕金森病等神经退行性疾病有关。几十年来，科学家们一直认为自己了解人体是如何清理这种细胞垃圾的。主流理论认为，当一个线粒体受损时，细胞会用一个新的双层泡状结构——自噬体将其包裹起来。这个泡状结构就像一个密封袋，在将受损的细胞器与溶酶体（一种充满消化酶的细胞“胃”）融合之前将其隔离。这一过程被称为巨自噬（macroautophagy），曾被认为是心脏及其他组织清除受损线粒体的标准方法。
然而，一项新的研究挑战了这一长期以来的观点，揭示了心脏使用一种更直接的方法来管理其线粒体废物。美国国家卫生研究院和梅奥医学中心的研究人员发现，在活体心脏组织中，受损的线粒体并不会被包裹在新的泡状结构中。相反，它们被现有的、已经在细胞内等待着的消化隔室直接捕获。这一发现源于一种新型成像技术，表明心脏依赖于一种“微自噬”（microautophagy）的形式，即溶酶体本身主动伸出触角去吞噬受损的发电厂，而不是等待一个独立的袋子在其周围形成。这一发现不仅改写了教科书中关于心脏细胞如何自我清理的描述，还强调了一种关键的生存机制，一旦该机制失效，会导致快速的心力衰竭。
为了揭开这一隐藏的过程，研究团队转向了一种由名为 CHCHD10 的蛋白质突变引起特定类型心脏病的鼠模型。在这些小鼠中，由于蛋白质折叠错误，线粒体频繁受损，从而触发了持续的清理需求。科学家们需要一种方法，能够在复杂且致密的心脏跳动组织中实时观察这种清理过程究竟是如何发生的。标准的显微技术无法分辨出涉及的微小膜结构，而电子显微镜虽然清晰，却无法展示事件发生的时间顺序。为了解决这个问题，团队开发了一种名为 MitoFLUX-EM 的新方法。该技术结合了高分辨率电子显微镜技术与一种利用重氮同位素（15N）追踪蛋白质年龄的方法。通过喂食含有这种重氮元素的食物两周，研究人员可以区分出原本存在的旧蛋白质和在喂食期间产生的新蛋白质。这使他们能够创建一个事件的时间轴，在观察细胞结构的时刻，同时辨别哪些部分是旧的，哪些是新的。
当团队将这种方法应用于小鼠心脏时，他们观察到了令人惊讶的结构。他们看到的不是包裹着受损线粒体的孤立气泡，而是被称为“线粒体溶酶体”（mitolysosomes）的大型复杂结构。这些并非简单的单腔袋状物，而是多室结构的细胞器，类似于一簇房间，每个房间都包含处于不同衰变阶段的线粒体。有些房间里的线粒体看起来几乎正常，而有些房间里则只剩下颗粒状碎片。至关重要的是，研究人员观察到这些线粒体溶酶体的膜正在积极地向外伸出，以抓取新的受损线粒体。在许多情况下，线粒体溶酶体的膜会向外凸起，包裹住一个受损的线粒体并将其拉入内部，从而形成一个新的腔室。在另一些情况下，膜会向内折叠，吞噬掉一部分仍留在外部的线粒体。这种直接捕获机制与形成一个随后再与溶酶体融合的新独立泡状结构有着本质区别。
该研究还解决了关于线粒体在被捕获时状态的长期争论。此前的模型认为，为了让线粒体被“吃掉”，其外壳（即线粒体外膜）必须先被撕裂。人们认为这种破裂会暴露线粒体内部的部分，从而作为信号触发细胞开始进食。然而，新的图像显示，绝大多数被捕获的线粒体其外壳都是完整的。那些抓取它们的膜会特意避开受损的部分，只接触完整的外部表面。当外壳破裂时，细胞通常会对其置之不理，这表明破裂的膜实际上可能会阻碍而非触发清理过程。研究人员通过证明被标记进行移除的是线粒体表面的蛋白质而非内部蛋白质，证实了这一点。
为了确保这些发现不仅仅是小鼠模型的特例，团队还在培养皿中培养了人类细胞。他们激活了相同的清理途径，并使用先进成像技术观察了这一过程的展开。即使在这些人工条件下，他们也发现捕获线丁体的膜更倾向于结合完整的外部外壳。他们还测试了移除外壳蛋白质是否为启动过程所必需。通过阻断通常剥离这些蛋白质的机制，他们发现细胞仍然可以成功捕获并消化线粒体。这证明了去除外壳蛋白质以及随后的膜破裂并不是启动清理过程的必要步骤。
当研究人员观察到这一清理途径失效时，其重要性变得清晰可见。他们研究了缺乏名为 PINK1 的关键蛋白（PINK1 是线粒体损伤的传感器）的小鼠。由于缺乏 PINK1，心脏细胞无法启动这种直接捕获过程。结果，受损的线粒体不断堆积，细胞内的发电厂开始积累折叠错误的蛋白质团块。这些小鼠不仅心脏衰竭，而且寿命比健康小鼠短得多——健康小鼠可以活过三年，而这些小鼠通常在第一年内就会死亡。这种显著的生存差异表明，这种特定形式的微自噬不仅仅是一个备选方案，更是心脏至关重要的生命保障机制。
研究结论指出，心脏已经进化出一种高度高效且专门化的方式来维持其能量供应。心脏细胞并不需要为每一件垃圾建造一个新的容器，而是利用现有的消化隔室，在受损的发电厂失效时直接将其吞噬。这种过程实现了持续、高容量的清理，对于无法再生死亡细胞的心肌细胞生存至关重要。通过揭示线粒体外壳必须保持完整才能使该过程运作，这项研究推翻了以往的假设，并为心脏如何抵御终生跳动带来的磨损提供了更清晰的图景。研究结果表明，理解并可能增强这种直接捕获机制，将是治疗以线粒体功能衰竭为核心特征的心脏疾病的关键。
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