粒线体存在于细胞内，提供细胞所需的能量，并参与多种关键功能，包括细胞分裂和保持对各种压力的反应。人体中每个细胞，都可能含有上百至上千个粒线体，透过合成三磷酸腺苷（adenosine triphosphate, ATP）提供细胞能量，维持人体正常的生理活动，其最重要的作用在于传递细胞讯息，控制细胞凋亡、老化等状态。若粒线体的活性衰退，将导致细胞无法获得足够能量，进一步使人加速老化或疲倦。
如此说来，粒线体对人体的重要性不言而喻！但是，过去粒线体结构的研究方法有待加强。现在， Scripps Research 的科学家开发了基于影像的新方法，提供了一种透过研究粒线体，用来协助确定癌症、阿兹海默症和帕金森氏症等疾病详细机制的方法。
使用新开发的低温电子断层扫描工具来绘制粒线体结构
他们将新发现发表在《 Journal of Cell Biology 》上，Scripps Research 的计算生物学家，同时也该研究的资深作者 Danielle Grotjahn 博士解释说：“我们现在拥有一个功能强大的新工具，用于检测和量化粒线体的结构差异，以及功能差异－例如，在患病状态与健康状态下的差异。”
在这项研究中， Grotjahn 博士与团队整合了一个计算工具，来处理来自低温电子断层扫描 ( Cellular cryo-electron tomography, cryo-ET ) 的影像数据。 研究人员称之为“表面形态计量学工具包 ( surface morphometrics toolkit )”，能够详细绘制和测量单个粒线体的结构元素。这包括内膜的弯曲和膜之间的间隙——所有重要粒线体和细胞事件的潜在有用标记。
研究团队表示：“新工具使我们能够从 cryo-ET 获得美丽的粒线体 3D 图片，转化为灵敏的定量测量，并使用它来帮助确定疾病的详细机制。”该团队展示了这项工具，当细胞受到内质网 ( endoplasmic reticulum, ER ) 反应时，使用它绘制粒线体的结构细节， ER 反应常见于神经退化性疾病。他们观察到关键的结构特征，如内膜的曲率 ( curvature )，或内外膜之间的最小距离，在这种压力下发生了可测量的变化。这项工具可实现复杂的膜结构并快速建立模型，同时允许将膜间和膜内间距、弯曲度和方向详细映射到重建的膜网格上，突显难以在 3Ｄ 上检测的细微细胞器特征，并可跨多个胞器进行统计比较。
这种方法的凸显量化膜的超微结构，可更深入研究粒线体反应
为了证明这种方法的优势，团队将冷冻 ET 与冷冻荧光显微镜相结合，以同时存在和不存在 ER 反应的情况下，将大量线粒体网络形态（细长与破碎的形态）与单个线粒体的膜超微结构相关联。证明了 ER 压力能促进粒线体适应超微结构特征的重塑性，包括内膜和外膜之间的间距、内膜的局部弯曲度。这项工具为使用 cryo-ET 在单细胞水平上量化膜超微结构的变化提供了机会，为定义由不同类型的细胞扰动引起的超微结构特征的变化开辟了新的机会。研究颓段现在将使用他们的工具更详细地研究粒线体如何回应细胞压力或疾病、毒素、感染和药物引起的其他变化。
延伸阅读：位于粒线体的生物标记物，用 Mic60 基因预测胰脏癌治疗预后！参考资料：
1. Journal of Cell Biology, 2023, https://rupress.org/jcb/article-abstract/222/4/e202204093/213869/Quantifying-organellar-ultrastructure-in-cryo?redirectedFrom=fulltext
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