线粒体可以产生全新“细胞器”——为现代细胞的进化提供重要线索

这一发现支持一项理论：远古线粒体可通过脱落外膜，在细胞内形成全新的、特化的“囊泡结构”。

彩色增强透射电镜图像：图中可见线粒体、细胞核与核孔。

研究人员发现，素有“细胞动力工厂”之称的线粒体（蓝色），同时也参与细胞的免疫应答反应。

图片来源：大卫·M·菲利普斯 / 科学图片库

当寄生虫侵入细胞时，细胞内的线粒体会做出反应：脱落外层膜结构，形成全新的细胞区室（即细胞器），用于消化分子“垃圾”。

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细胞会“交换”线粒体？这对我们的健康意味着什么？

做出这一发现的团队证实：作为细胞最主要能量来源的线粒体，在形成这些新型细胞器时，反而会帮助寄生虫增殖——尽管具体机制尚不完全清楚。

研究负责人、加州大学洛杉矶分校免疫学家莉娜·佩纳斯表示：也许寄生虫是靠这些微小腔室内的降解产物“获取营养”。

但有一点可以确定，佩纳斯今年2月在科罗拉多州举办的线粒体信号传导基斯顿专题研讨会上汇报成果时说：

“在感染过程中，线粒体能够产生全新的细胞器。”

该研究于4月24日发表在预印本平台bioRxiv¹，尚未经过同行评审。这一发现进一步扩充了研究人员正在揭示的线粒体免疫功能清单，包括监视病原体²、协调免疫信号³等。

它同时也为一项假说提供了有力支持：最早期的线粒体脱落的膜囊（囊泡），最终演化成真核细胞内的各种细胞器——真核生物包括动植物，其细胞拥有被膜包裹的细胞核及其他胞内区室。

如果现代线粒体都能产生具有专门功能的新细胞器，那么不难想象，它们的远古祖先也具备同样能力。

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线粒体被“操控”

佩纳斯及其团队在用人弓形虫（一种常潜伏在未煮熟肉类中的寄生虫）感染人类癌细胞后，观察到了这种新型细胞器的形成过程。

寄生虫外表面的一种蛋白会“抓住”细胞线粒体上的蛋白，把这些微小的“能量工厂”钉在弓形虫上。

这些被固定的线粒体随后开始脱落外膜，形成被称为线粒体外膜阳性结构（SPOTs）的特殊结构。

令人惊讶的是，这些SPOTs会进一步包裹细胞内另一种细胞器——溶酶体，也就是酸性囊泡，负责细胞的“垃圾处理系统”。

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加州大学旧金山分校的细胞生物学家、免疫学家沙里·慕克吉评价：这种包裹溶酶体的过程堪称“绝技”。

“最酷、最出人意料的是，病原体不仅能彻底操控线粒体，还能利用线粒体在细胞内精准生成一整套全新细胞器。”

研究人员证实，被SPOTs包裹的溶酶体是一类全新的细胞器，与普通溶酶体不同：新细胞器的外表面不携带溶酶体特有的标志性蛋白。

他们还证明，弓形虫的增殖必须依赖这些新细胞器。

当研究人员使用质子泵抑制剂药物，阻止被SPOTs包裹的溶酶体酸化（从而失去垃圾处理功能）后，寄生虫的增殖受到明显抑制。

有趣的是，SPOTs几乎不包裹除酸性溶酶体外的其他任何细胞器。

佩纳斯说，寄生虫制造这种新细胞器的原因之一，可能是以消化后的废物为食；

另一种可能是：通过迫使SPOTs吞噬溶酶体，弓形虫中和掉对病原体有害的细胞垃圾处理系统。

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神奇的膜结构

佩纳斯在研讨会上表示，这些发现提示：线粒体及其膜结构可能是细胞应对各种压力时，形成新细胞器的“储备库”。

“这听起来可能有点离经叛道，”她补充道，“但如果我们回头思考细胞内细胞器是如何进化的，就会发现这完全合理。”

超过15亿年前，一种微生物吞噬了一颗远古细菌，真核生命由此诞生。

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癌细胞会用“受污染的线粒体”毒害免疫系统

十年前，德国杜塞尔多夫大学的三位进化生物学家——斯文·古尔德、斯里拉姆·加尔格和比尔·马丁提出一项理论：

就像自由生活的细菌会不断脱落囊泡一样，这颗进入宿主细胞的远古细菌，也会持续脱落膜囊⁴。

随着时间推移，这些囊泡逐渐演化，最终成为真核细胞内各式各样的胞内细胞器。

尽管关于真核细胞器起源存在多种竞争假说，但佩纳斯团队的发现——现代线粒体能够产生新细胞器——与这一真核起源理论高度吻合。

这项新发现还印证了更早的一项观察：线粒体参与细胞器的生成。

2017年，加拿大麦吉尔大学线粒体生物学家海蒂·麦克布赖德发现：负责分解细胞内脂肪酸的过氧化物酶体，是一种“杂交细胞器”⁵。

她观察到，缺乏过氧化物酶体的细胞，可以通过线粒体脱落的囊泡与内质网囊泡融合，从头生成过氧化物酶体。

但古尔德告诉《自然》杂志，当时质疑者认为麦克布赖德的发现要么是实验假象，要么只在极其特殊的条件下才会发生。

而佩纳斯的发现表明，麦克布赖德的结果绝非偶然特例，线粒体脱落的囊泡其实用途广泛。

古尔德说：这些囊泡“真的在细胞内各处都被利用着”。