一眼看穿！結構低溫電子斷層掃描協助展示粒線體的詳細結構

粒線體存在於細胞內，提供細胞所需的能量，並參與多種關鍵功能，包括細胞分裂和保持對各種壓力的反應。人體中每個細胞，都可能含有上百至上千個粒線體，透過合成三磷酸腺苷（adenosine triphosphate, ATP）提供細胞能量，維持人體正常的生理活動，其最重要的作用在於傳遞細胞訊息，控制細胞凋亡、老化等狀態。若粒線體的活性衰退，將導致細胞無法獲得足夠能量，進一步使人加速老化或疲倦。

如此說來，粒線體對人體的重要性不言而喻！但是，過去粒線體結構的研究方法有待加強。現在， Scripps Research 的科學家開發了基於影像的新方法，提供了一種透過研究粒線體，用來協助確定癌症、阿茲海默症和帕金森氏症等疾病詳細機制的方法。

使用新開發的低溫電子斷層掃描工具來繪製粒線體結構

他們將新發現發表在《 Journal of Cell Biology 》上，Scripps Research 的計算生物學家，同時也該研究的資深作者 Danielle Grotjahn 博士解釋說：「我們現在擁有一個功能強大的新工具，用於檢測和量化粒線體的結構差異，以及功能差異－例如，在患病狀態與健康狀態下的差異。」

在這項研究中， Grotjahn 博士與團隊整合了一個計算工具，來處理來自低溫電子斷層掃描 ( Cellular cryo-electron tomography, cryo-ET ) 的影像數據。研究人員稱之為「表面形態計量學工具包 ( surface morphometrics toolkit )」，能夠詳細繪製和測量單個粒線體的結構元素。這包括內膜的彎曲和膜之間的間隙——所有重要粒線體和細胞事件的潛在有用標記。

研究團隊表示：「新工具使我們能夠從 cryo-ET 獲得美麗的粒線體 3D 圖片，轉化為靈敏的定量測量，並使用它來幫助確定疾病的詳細機制。」該團隊展示了這項工具，當細胞受到內質網 ( endoplasmic reticulum, ER ) 反應時，使用它繪製粒線體的結構細節， ER 反應常見於神經退化性疾病。他們觀察到關鍵的結構特徵，如內膜的曲率 ( curvature )，或內外膜之間的最小距離，在這種壓力下發生了可測量的變化。這項工具可實現複雜的膜結構並快速建立模型，同時允許將膜間和膜內間距、彎曲度和方向詳細映射到重建的膜網格上，突顯難以在 3Ｄ上檢測的細微細胞器特徵，並可跨多個胞器進行統計比較。

這種方法的凸顯量化膜的超微結構，可更深入研究粒線體反應

為了證明這種方法的優勢，團隊將冷凍 ET 與冷凍熒光顯微鏡相結合，以同時存在和不存在 ER 反應的情況下，將大量線粒體網絡形態（細長與破碎的形態）與單個線粒體的膜超微結構相關聯。證明了 ER 壓力能促進粒線體適應超微結構特徵的重塑性，包括內膜和外膜之間的間距、內膜的局部彎曲度。這項工具為使用 cryo-ET 在單細胞水平上量化膜超微結構的變化提供了機會，為定義由不同類型的細胞擾動引起的超微結構特徵的變化開闢了新的機會。研究頹段現在將使用他們的工具更詳細地研究粒線體如何回應細胞壓力或疾病、毒素、感染和藥物引起的其他變化。

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參考資料：
1. Journal of Cell Biology, 2023, https://rupress.org/jcb/article-abstract/222/4/e202204093/213869/Quantifying-organellar-ultrastructure-in-cryo?redirectedFrom=fulltext