细胞内部的细胞器是细胞重要的功能单位，因此对于各类细胞器运行机制与病理的研究长久以来都是热门的主题。近期，随着愈来愈多的研究揭示了力传导（mechanotransduction）对细胞的重要影响，更多研究者开始关注到其中细胞器对力传导的反应与特性，并不断探索可对细胞器实现直接力刺激的手段。

线粒体是真核细胞的“动力工厂”，为细胞的各种生命活动提供能量。此外，它也在磷脂和血红素合成、活性氧（ROS）产生、钙平衡、细胞生长和分化、细胞周期控制和细胞死亡等过程中发挥着重要的作用。线粒体具有双层膜结构，在细胞内的各种力学诱因下，线粒体膜的形貌不断变化。诸多研究表明，线粒体的形貌和功能可以被力学诱因调控。但是，线粒体如何感应和应答环境中的力刺激, 以及这种感应与其形貌及功能的关系目前仍不为人所知。因此，领域内急需一种能够在活细胞中直接对线粒体施加力刺激的方法。近年来发展迅速的多学科交叉生物技术——光遗传学方法——为解决这个问题提供了一种新思路。

段丽婷教授课题组致力于开发光遗传技术来精准调控各种细胞活动，包括多种细胞内多种信号通路和细胞器活动等。光遗传学结合了遗传学和光学原理的新兴技术，它的基本思路是将光敏蛋白进行设计后转染入目标细胞，从而使目标细胞具备对光信号的特征响应。CRY2（cryptochrome 2）和CIBN（cryptochrome-interacting basic-helix-loop-helix）是光遗传学中的一个重要的蛋白套组。没有蓝光刺激时，CRY2和CIBN在细胞中呈现分离状态；蓝光照射后，二者会迅速聚合在一起；移除蓝光一段时间后，二者又会逐渐分离。

作者通过分子克隆方法将CRY2蛋白与定位于线粒体外膜上Miro1（mitochondrial Rho GTPase）连接在一起，并将CIBN蛋白和朝着微管正端移动的分子马达蛋白KIF5A（kinesin heavy chain isoform 5A）连接在一起。两种蛋白复合体同时在目标细胞中表达。当对细胞照射蓝光时， CRY2与CIBN的结合将线粒体的外膜与微管上的分子马达蛋白连接在一起。通过分子马达的牵引，线粒体受力从而发生显著的拉伸形变。作者通过对蓝光照射位点的精确控制，进一步实现了亚细胞层次上定点拉伸线粒体。

该方法同时也验证了线粒体内膜亦可受到此条件下产生的力刺激，并与外膜同步发生拉伸形变。实验结果表明超过七成的线粒体中内膜随着外模被牵拉也表现出相同方向的延长，但内外膜的移动速率和拉伸到达的极限长度有差异。

光遗传学中的其他蛋白套组或其他分子马达同样可以通过相同的方法对线粒体施加力刺激并使其发生形变。作者使用其他蛋白套组（如iLID-SSpB和ePDZ-LOVpep）和分子马达（如KIF5B和Dynein）证明了此方法具有一定普适性，可以通过灵活的组合在不同的条件下对线粒体提供不同形式的力刺激，以满足不同的实验需要。

这项工作提出的方法可以在活细胞内以高精度、非侵入的方式对线粒体施加精准的力刺激，并且表现出了很强的普适性。相较于传统方式，光遗传学工具有非侵入性、低毒性、高可控、高通量等方面的优势，使之更加实用化。因此，该工作为进一步了解线粒体形貌、功能与环境力刺激之间的关系提供了一个强有力的工具以及有效的解决方案。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1016/j.chembiol.2021.05.015