潘欣/张学敏团队发现细胞有丝分裂进程的能量供给机制
线粒体是为细胞活动提供能量的发电厂，但它的发电功率并非一成不变，而是根据需求适时调整。细胞在经历许多特定关键事件时是高度耗能的，例如在有丝分裂中期，要将体积“巨大”的染色体在赤道板全部“吊装”到位和排列整齐，并通过纺锤体微管系统将这些“庞然大物”拉向两极，需要超大功率“电力”设备才能驱动。但是，线粒体是如何响应这种特殊、瞬间的巨大能量需求，一直不为人知。
3月12日，军事科学院军事医学研究院生物医学分析中心和毒物药物研究所潘欣课题组和张学敏课题组在Nature Cell Biology发表题为AMPK-mediated activation of MCU stimulates mitochondrial Ca2+ entry to promote mitotic progression的论文，揭示了细胞在分裂过程中线粒体能量供给的特殊保障机制。细胞内的能量感受器AMPK在有丝分裂时通过激活线粒体Ca2+闸门MCU，促进线粒体短时间高强度“供电”，这种特殊能量动员机制对于有丝分裂顺利完成至关重要。
研究人员首先利用荧光探针实时动态成像技术，捕捉到有丝分裂细胞线粒体Ca2+水平突然快速增加（mitochondrial Ca2+ transient），如同线粒体强烈“闪电”，这一有趣的现象（下图）。这一过程由线粒体钙单向转运体（mitochondrial Ca2+ uniporter ，MCU）所介导。
细胞进入有丝分裂期后，胞浆钙离子快速进入线粒体，形成线粒体钙“闪电”现象。
该图展示了有丝分裂细胞发生线粒体钙“闪电”的瞬间。红色表示染色体(RFP-H2B)，绿色表示线粒体钙（mito-GCaMP6）。注：图片由北京大学陈良怡课题组协助拍摄。
线粒体内钙离子通过促进三羧酸循环及氧化呼吸电子传递链上一系列酶的活性从而促进线粒体有氧呼吸【1,2】。研究人员进一步发现，敲低MCU会导致有丝分裂细胞线粒体有氧呼吸水平显著降低，细胞处于能量衰竭状态，这导致纺锤体检查点持续激活、细胞微管解聚异常、着丝粒间张力不足、染色体排列到赤道板上后长时间无法分离，显著延长细胞分裂进程。有意思的是，这种线粒体钙“闪电”现象主要发生在有丝分裂期，表明MCU介导的线粒体Ca2+信号是有丝分裂细胞的一种特殊的能量供给机制。
该研究的另一个亮点在于发现线粒体存在一种感知细胞能量不足并快速做出反应的能量保障机制。研究人员发现当细胞进入有丝分裂期时，胞浆ATP水平迅速下降，细胞进入急性能量短缺状态。与此同时，这种能源危机迅速被细胞能量感受器AMPK感应。激活的AMPK一方面促进胞浆钙库释放，另一方面转位至线粒体内，使MCU的57位丝氨酸发生磷酸化并活化，促使Ca2+快速进入线粒体，帮助细胞加速能量供应。这种细胞内AMPK介导的Ca2+信号调控模式首次将细胞能量感知与线粒体能量产生联系在一起，有利于细胞在面临能源危机时快速反应，是一种未曾发现的线粒体适应性产能方式。
据悉，本研究是张学敏/潘欣团队在线粒体钙研究领域的另一项重要发现。线粒体钙的研究历史可以追溯到上世纪60年代，直到2011年，随着线粒体钙单向转运体MCU的发现【3,4】，这一沉寂多年的领域又焕发了新的活力。2013年，该团队在Nature Cell Biology杂志发表了题为The physiological role of mitochondrial calcium revealed by mice lacking the mitochondrial calcium uniporter的研究论文【5】，利用MCU敲除小鼠首次在整体动物水平揭示了线粒体Ca2+ 的生理病理功能。最新的这项研究工作是前项工作的延续，不仅揭示了线粒体Ca2+自身的生理性调控机制，也提出了一种线粒体感知能量匮乏并快速供能的能量动员新模式。由于细胞所处环境复杂多变，随时会面临各种能量供应不足所带来的种种挑战，这种能量应急保障机制可能在其它多种应激事件（如病毒感染、极端环境等）中同样发挥重要作用。缺少这种机制，会导致细胞命运改变、机体功能受损以及各种疾病发生。
针对上述研究，BioArt独家联系到了长期专注AMPK调控研究的厦门大学林圣彩教授，林教授表示：“该研究聚焦细胞生命活动的重要过程有丝分裂，创新性的发现了能量感受器AMPK区域化（转移到线粒体）的重要生理功能，拓展了AMPK在亚细胞器中的重要生物学意义”。
据悉，本论文的第一作者是：博士生赵海鑫、李腾博士和硕士生王恺，通讯作者为张学敏院士和潘欣研究员。主要研究人员来自军事医学研究院生物医学分析中心、抗毒药物与毒理学国家重点实验室和蛋白质组学国家重点实验室。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41556-019-0296-3
参考文献
1. Griffiths, E. J. & Rutter, G. A. Mitochondrial calcium as a key regulator of mitochondrial ATP production in mammalian cells. Biochimica et biophysica acta 1787, 1324-1333, doi:10.1016/j.bbabio.2009.01.019 (2009).
2. Territo, P. R., Mootha, V. K., French, S. A. & Balaban, R. S. Ca(2+) activation of heart mitochondrial oxidative phosphorylation: role of the F(0)/F(1)-ATPase. American journal of physiology. Cell physiology 278, C423-435, doi:10.1152/ajpcell.2000.278.2.C423 (2000).
3. Baughman, J. M. et al. Integrative genomics identifies MCU as an essential component of the mitochondrial calcium uniporter. Nature 476, 341-345, doi:10.1038/nature10234 (2011).
4. De Stefani, D., Raffaello, A., Teardo, E., Szabo, I. & Rizzuto, R. A forty-kilodalton protein of the inner membrane is the mitochondrial calcium uniporter. Nature 476, 336-340, doi:10.1038/nature10230 (2011).
5. Pan, X. et al. The physiological role of mitochondrial calcium revealed by mice lacking the mitochondrial calcium uniporter. Nature cell biology 15, 1464-1472, doi:10.1038/ncb2868 (2013).
