通过基因改造强制细胞消除自身线粒体的研究，得克萨斯大学西南医学中心的研究团队揭示了这些细胞器对发育、基因调控和进化过程的重要影响。这项发表在《细胞》期刊的研究显示，细胞可暂时存活于无线粒体状态，而线粒体与细胞核的相互作用可能细微地塑造跨物种性状特征（如大脑发育）。该成果为开发针对Leigh综合征和Kearns-Sayre综合征等线粒体疾病的新型疗法提供了重要工具。
"这项新技术使我们能系统研究线粒体丰度和基因组变化对细胞及生物体的影响，"西南医学中心分子生物学副教授吴军博士表示。这项研究由吴博士与现为加州大学伯克利分校博士后研究员的丹尼尔·施密茨博士共同领导。
线粒体的演化历程与多重功能
线粒体作为真核细胞特有的能量工厂，其携带的母系遗传DNA被认为是古老原核生物与早期真核细胞共生进化的遗迹。传统认知中，线粒体通过生成三磷酸腺苷（ATP）为细胞供能，但近年研究揭示其在细胞凋亡调控、干细胞定向分化、分子信号传递、衰老调节及发育时序协调等过程中发挥关键作用。
强制性线粒体自噬揭示细胞生存机制
研究团队利用基因工程技术激活线粒体自噬机制，成功在人类多能干细胞（hPSCs）中完全清除线粒体。令人意外的是，这些"无粒细胞"在培养皿中可维持5天活性，尽管分裂能力受阻。实验在携带线粒体DNA突变的小鼠干细胞中同样取得成功，证实该技术具有跨物种应用潜力。
细胞核基因的适应性响应
基因表达分析显示，线粒体缺失导致788个基因活性降低，1696个基因显著激活。有趣的是，细胞核基因编码的蛋白质可部分补偿能量生产和其他线粒体功能，表明细胞存在未知的适应性调控机制。这种基因网络重构使细胞在短时间内维持基本生命活动。
跨物种线粒体互换实验
通过将人类与黑猩猩、大猩猩等近亲灵长类的干细胞融合，研究团队构建了携带双物种基因组和线粒体的"复合细胞"。实验发现，这些细胞会选择性消除非人类线粒体。更关键的是，当将完全清除线粒体的人类干细胞与非人灵长类细胞融合后，形成的复合细胞仅保留非人线粒体，且两种进化距离显著的线粒体在功能上基本可互换。
线粒体与脑发育关联新发现
研究发现，携带不同物种线粒体的复合细胞中，差异表达的基因主要富集在神经发育相关通路。这一发现为解释人类与近亲灵长类大脑差异提供了全新视角，但吴博士强调需要更多神经元分化实验验证该机制。
整体生物发育影响研究
在小鼠胚胎实验中，当线粒体缺失超过65%时，胚胎无法着床。缺失约三分之一线粒体的胚胎则表现为发育迟缓，但受精后12.5天可恢复正常线粒体水平和发育进程。这提示线粒体在发育关键期存在功能阈值效应。
这项突破性研究为探索线粒体在细胞功能、器官发育、衰老调控及物种进化中的多维角色提供了全新工具。研究团队计划利用该技术深入解析线粒体生物学的更多未知领域。
参考文献：Daniel A. Schmitz等《通过强制性线粒体自噬揭示哺乳动物多能性中的线粒体影响》，Cell, 2025年6月10日 DOI: 10.1016/j.cell.2025.05.020
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