线粒体和质体北大陈建国细胞生物学

关于线粒体和质体北大陈建国细胞生物学第1页，共63页，2022年，5月20日，23点11分，星期五PartImorphologyanddynamics第2页，共63页，2022年，5月20日，23点11分，星期五光学显微镜下的线粒体1890年Altmann（德国）D:0.3-1µm;L:1.5-3.0µm第3页，共63页，2022年，5月20日，23点11分，星期五DAPIElectronmicroscopyMitoTracker第4页，共63页，2022年，5月20日，23点11分，星期五拟南芥分生细胞的三维重构照片。在细胞分裂的周期中，线粒体一度融合形成环核的片层状线粒体（蓝色）。同时细胞中也保留常见的颗粒状线粒体（绿色）。左图：G1-S期细胞；右图：G2期细胞；n：细胞核（紫色）。Bar=2微米。图片来自Segui-Simarroetal.2008中的Fig.7，有改动。

第5页，共63页，2022年，5月20日，23点11分，星期五ConclusionThemorphologyandnumberofmitochondriaarehighlyregulatedinthecells;Thisregulationmaintainsthepropershapeandcontentofmitochondriaincertaincells.第6页，共63页，2022年，5月20日，23点11分，星期五线粒体的融合与分裂。（a）洋葱表皮细胞内线粒体在51秒和69秒时间段内相继发生融合和分裂的荧光显微照片。实验使用可变色荧光蛋白（Kaede）标记线粒体。红色和绿色的颗粒为不同的线粒体。当它们融合后颜色叠加成为黄色。箭头指示融合发生。（b）烟草悬浮培养细胞中的线粒体以及90秒和40秒时间段内线粒体发生分裂的荧光显微照片。实验使用MitoTracker(red)标记线粒体，同时用SybrGreen标记线粒体DNA。在重合的照片中，红色和绿色两种荧光叠加出现的黄色荧光区域为线粒体拟核（DNA）所在的位置。注意在线粒体分裂过程中，线粒体DNA并不被均等分配。箭头指示没有拟核荧光的线粒体。Bar=2微米。图片来自Arimuraetal.2004中的Fig.2和Fig.4，有改动。。第7页，共63页，2022年，5月20日，23点11分，星期五双受精（双胞胎兄妹的婚礼）SGNawaschen(1898)BullAcadImpSciStPetersburg9:377-382.Kikume标记精细胞核Huangetal.(2015)JIPB57:496-503.第8页，共63页，2022年，5月20日，23点11分，星期五“模糊的葱头”与跨膜大分子GTPase（Fzo）的模式结构。（WT）野生型果蝇精细胞发育过程中线粒体融合形成的大体积球形线粒体。（fzo）突变体中聚集但不融合的小线粒体。（OM）线粒体外膜；（IMS）膜间隙；（IM）线粒体内膜。Bar=2微米。图片来自HalesandFuller1997中的Fig.1以及Westermann2003中的Fig.3，有改动。。fuzzyonion?第9页，共63页，2022年，5月20日，23点11分，星期五线粒体融合基因突变导致的线粒体片段化。（a）Fzo1基因野生型（WT）和突变体（fzo1）酵母细胞中的线粒体。注意野生型细胞中的线粒体长条状，突变体中变为颗粒状。（b）Mfn1基因野生型（上排）和突变体（下排）小鼠细胞内的线粒体。注意野生型细胞中蓝色标出的细长线粒体在相对运动中接触并融合，而突变体细胞中的线粒体高度片段化，无融合现象发生。Bar=3微米（a），10微米（b）。图片来自MozdyandShaw2003中的Fig.2以及Chenetal.2003中的Fig.4，有改动。第10页，共63页，2022年，5月20日，23点11分，星期五线粒体分裂必需基因（Dnm1、Drp1）的作用及产物定位。（a）Dnm1基因野生型（WT）和突变体（dnm1）酵母细胞中的线粒体。注意野生型细胞中的线粒体长条状，突变体中变为网络状。（b）Drp1基因野生型（WT）和突变体（drp1）线虫细胞内的线粒体。注意野生型细胞中线粒体呈规则的条形（黄色），而突变体细胞中的线粒体发生彭大且由延伸成细线的线粒体外膜（绿色）相连，说明Drp1于线粒体分裂及分裂后期的膜切断必不可少。（c）线虫细胞中Drp1的活细胞定位（上排荧光照片。线粒体标记为红色，Drp1标记为绿色）及dynamin纤维组装及分解驱动线粒体分裂的模式图。注意线粒体分裂的位点上出现Drp1。Bar=2微米（a），5微米（b），2微米（c上），0.1微米（c下）。图片来自Mozdyetal.2000中的Fig.1、Labrousseetal.1999中的Fig.4和Fig.7，有改动。外膜-Fis1-Mdv1-Dnm线粒体分裂装置（所有蛋白组装成的功能单位）第11页，共63页，2022年，5月20日，23点11分，星期五电子显微镜下观察到的线粒体分裂装置。（a）研究线粒体和叶绿体分裂装置的经典实验材料，红藻细胞的荧光显微照片（DNA特异性探针DAPI染色）及细胞内线粒体与叶绿体分裂模式图。红藻细胞含一个线粒体和一个叶绿体。在细胞增值过程中，叶绿体（红色自发荧光）率先启动分裂，随后线粒体启动分裂，最后细胞核分裂。红色的环状结构示线粒体和叶绿体的分裂环。（b）电子显微镜下观察到的分裂环平环切面。在3张连续切面（黑白）叠加后生成的图片（彩色）上，可以同时观察到线粒体分裂环（大箭头）及叶绿体分裂环（小箭头）。（c）线粒体分裂环的垂环切面。在分裂环的断面上，可以观察到电子密度较高的外环（大箭头）及电子密度相对较低的内环（小箭头）。Bar=1微米（a），0.5微米（b,c）。C：叶绿体；M：线粒体；N：细胞核。图片来自Kuroiwaetal.1995中的Fig.1、Fig.3和Fig.4，有改动。第12页，共63页，2022年，5月20日，23点11分，星期五电子显微镜下观察到的红藻（a，b）及被子植物天竺葵（c）的叶绿体分裂环。在扫描电子显微镜下，红藻叶绿体分裂环的外环（a中双箭头指示）为一环形索状结构，位于叶绿体表面，随着叶绿体分裂的进行而变粗。在叶绿体的垂环切面上，分裂环的一对横切面出现在叶绿体的缢缩处，呈较高电子密度（b中双箭头指示）。将分裂环的切面放大（b中下图）后，在外环切面（大箭头）的下面可以清楚地区分辨出形状宽扁的内环（小箭头）断面。外环与内环的断面之间由叶绿体膜相隔。高等植物的分裂环在超微结构上与红藻相同。随着分裂的进行（I→III），分裂环外环（c中箭头指示）变粗，截面积增大（c中右图分别为左图的局部放大）。CP：叶绿体；MP：线粒体；N：细胞核。Bar=0.5微米（a，b上，c左），0.1微米（b下，c右）。图片来自Miyagishimaetal.1999中的Fig.2（a），Miyagishimaetal.1998中的Fig.4（b）以及Kuroiwaetal.2002中的Fig.2（c），有改动。第13页，共63页，2022年，5月20日，23点11分，星期五红藻分裂环的分离及蛋白质鉴定。参见Yoshidaetal.2009CurrBiol第14页，共63页，2022年，5月20日，23点11分，星期五ConclusionThemorphologyandnumberofmitochondriaincellsareregulatedbywell-balancedmitochondrialfusionsanddivisions;Thefusionsanddivisionstakesplacefrequently,allowingallmitochondriainacellasadiscontinuouswhole.第15页，共63页，2022年，5月20日，23点11分，星期五光学显微镜及荧光显微镜下观察到的叶绿体。左图：拟南芥叶肉细胞原生质体。焦面置于细胞中部时，观察到的叶绿体呈两端渐窄的条形（上图中箭头）。而将焦面移动到细胞顶部时，观察到的叶绿体为近圆形（下图中箭头）。可见，叶绿体的立体结构应与凸透镜或铁饼相似。右图：将原生质体细胞质平铺并经DAPI染色后的荧光显微照片。红色为叶绿素的自发荧光。当细胞质平铺为一薄层时，叶绿体的顶面观均为近圆形。此外，经DAPI染色后的叶绿体中可以观察到叶绿体DNA颗粒状荧光（大箭头）。同时，细胞质中可以观察到线粒体DNA的荧光信号（小箭头）。N：细胞核。Bars=10微米。图片由北京大学胡迎春博士提供。第16页，共63页，2022年，5月20日，23点11分，星期五CRUMPLEDLEAF(CRL)编码一个质体外膜蛋白，突变影响质体分裂，形成超大的叶绿体。参见Asanoetal.2004PlantJ第17页，共63页，2022年，5月20日，23点11分，星期五ConclusionThemorphologyandnumberofplastidsarehighlyregulatedinplantcells;Thisregulationmaintainsthepropershapeandcontentofplastidsinthecells.第18页，共63页，2022年，5月20日，23点11分，星期五光照强度对叶绿体分布及位置的影响。野生型（WT）拟南芥叶片呈深绿色。对叶片的一部分（整体遮光，中部留出一条窄缝）强光照射1小时后，被照射的窄缝处变成浅绿色。这是由于细胞中的叶绿体发生了位置和分布的变化，以减少强光的伤害。叶绿体通过位移避开强光的行为称为躲避相应（avoidanceresponse）。相反，在光照较弱的情况下，叶绿体会汇集到细胞的受光面。这种行为称作积聚响应（accumulationresponse）。在一种叶绿体定位异常的突变体（chup1）中，光照对叶绿体的位置和分布式去影响。箭头指示光照的方向（小箭头：弱光；大箭头：强光）。部分图片来自Oikawaetal.2003中的Fig.1，有改动。Chup1:chloroplastunusualpositioning1Chup1,叶绿体外膜蛋白，与actin结合第19页，共63页，2022年，5月20日，23点11分，星期五

叶绿体及原质体膜向外延伸形成的柔性管状结构（箭头指示）。该结构具双层膜，分别为叶绿体内膜和外膜的直接延伸。由于叶绿体（或质体）基质随小管延伸，基质小管故而得名（stroma-filledtubule→stromule）。（a）光学显微镜下叶绿体表面出现基质小管的连续过程；（b）GFP标记叶绿体膜后荧光显微镜下观察到的基质小管；（c）三维重构显示的拟南芥卵细胞原质体及复杂的基质小管网络。CP：叶绿体；PP：原质体。Bar=10微米（a，b），2微米（c）。部分图片来自Kohleretal.1997中的Fig.3以及Ishidaetal.2008中的Fig.5，有改动。第20页，共63页，2022年，5月20日，23点11分，星期五Developmentofchloroplasts第21页，共63页，2022年，5月20日，23点11分，星期五天竺葵叶绿体分裂过程中的Z环（a）及拟南芥叶绿体分裂装置相关基因的突变表型（b）。注意内环的免疫荧光在在叶绿体膜尚未发生缢陷的分裂早期最强，随着叶绿体分裂的进行而减弱。同时，与野生型（WT）相比，编码ARC5、ARC6、PDV1的基因突变（arc5，arc6，pdv1-1和pdv1-2）后叶肉细胞内出现大体积的叶绿体。Bar=1微米（a），10微米（b）。图片来自Kuroiwaetal.2002中的Fig.1（a），Miyagishimaetal.2006中的Fig.2以及Glynnetal.2008中的Fig.5（b），有改动。(dynamin)被子植物叶绿体分裂装置的定位。在叶绿体分裂的早期，内膜下的Z环最先完成定位和组装。叶绿体内膜跨膜蛋白ARC6的N端伸向叶绿体基质,与FtsZ的相互作用，协助Z环组装。同时，ARC6的C端伸向膜间隙,与外膜跨膜蛋白PDV2的C端相结合，将叶绿体膜内的Z环位置信息传递到膜间隙。在PDV2的相同位置，还存在另一个C端较短跨膜蛋白PDV1。这两个蛋白的N端均伸向细胞质，共同招募ARC5。PDV1和PDV2的编码基因双突变后ARC5无法正常定位，而它们的单突变亦导致叶绿体分裂异常。引自Glynnetal.2008中的Fig.7。FtsZ第22页，共63页，2022年，5月20日，23点11分，星期五ConclusionThevolumeandnumberofchloroplastsareregulatedbyplastiddivisionsduringearlyleafdevelopment;Plastidfusionisnotobserved.However,stromuleprovidesdynamicconnectionsbetweenplastids,allowingallplastidsinacellasalsoadiscontinuouswhole.第23页，共63页，2022年，5月20日，23点11分，星期五PartIIfunction第24页，共63页，2022年，5月20日，23点11分，星期五Nojietal.1997Theγ-subunitrotatesinananticlockwisedirectionwiththerotarytorqueatmorethan40pN/nm.natureDirectobservationoftherotationofF1-ATPase第25页，共63页，2022年，5月20日，23点11分，星期五线粒体的生物化学氧化磷酸化（oxidativephosphorylation）电子传递链TCA循环提供的高能电子最终传递给O2，生成H2O。该电子传递的本质是一个氧化过程（H→2e+H）。在这个过程中，高能电子中储存的能量被转化成膜间隙中的质子梯度，驱动ATP合成（ADP+Pi→ATP）。-+核质冲突nuclear-cytoplasmicincompatibility

第26页，共63页，2022年，5月20日，23点11分，星期五光反应(电子传递)暗反应(碳同化)合成ATP使用ATP第27页，共63页，2022年，5月20日，23点11分，星期五PartIIIinheritance第28页，共63页，2022年，5月20日，23点11分，星期五探索合子和雄配子体调控机制的分子生物学机理

MitochondrialDiseases人类：13个蛋白质

85种疾病脑坏死、心肌病、肿瘤、不育、帕金森…CMS拟南芥：122个蛋白质非孟德尔遗传

----mitochondria第29页，共63页，2022年，5月20日，23点11分，星期五“Thespermcellistoosmalltocontainmitochondria.”R.Dawkins小则可以忽视？Whymaternal?第30页，共63页，2022年，5月20日，23点11分，星期五然而，细胞大小并不决定线粒体遗传！第31页，共63页，2022年，5月20日，23点11分，星期五Chlamydomas

mating5minaftermatingFromKuroiwaetal.1982Maternalinheritanceofplastid(A)andpaternalinheritanceofmitochondrial(B)inCucumismelo.FromHaveyetal.1998C.melo第32页，共63页，2022年，5月20日，23点11分，星期五线粒体父系遗传精细胞虽然小，但它可以携带很多线粒体DNA!第33页，共63页，2022年，5月20日，23点11分，星期五5.0x10550mtDNA(copies/cell)1.0x103EggSpermSomaticMaternalinheritancewithpaternalleakageat1.0x10-

4FromShirataetal.2000;Hechtetal.1984;Cummins1998;Gyllenstenetal.1991Additionalspermmitochondria,ifintroducedtothefertilizedeggsbymicroinjection,resultinremarkablepaternaltransmission.500foldduplicated20folddeclined第34页，共63页，2022年，5月20日，23点11分，星期五Digestionofspermmitochondriainthezygote.Ubiquitinationofmalemitochondria:UbiquitinatedprohibitinasaproteolyticmarkerFromThompsonetal.2003第35页，共63页，2022年，5月20日，23点11分，星期五ConclusionItisnotthesmallnessofspermcellthatdeterminesmaternalinheritance;TherelativeinputsofspermandeggmtDNAarecriticalformitochondrialinheritance;Anubiquitin-mediateddegenerationofspermmitochondriaissuggestedtoactasatriggerformaternalinheritance.第36页，共63页，2022年，5月20日，23点11分，星期五Non-MendeliangeneticsnogenesnomutantsInplants,thefirststepistounderstandhoworganelleinheritanceisregulatedatthecellularlevel.DegradationofmalemtDNAformaternalinheritance第37页，共63页，2022年，5月20日，23点11分，星期五Isolationofgameticcellsforsingle-cellPCRtodeterminethecopynumberofmtDNA第38页，共63页，2022年，5月20日，23点11分，星期五TargetSequences:maturasecoxICompetitivePCR第39页，共63页，2022年，5月20日，23点11分，星期五sensitivecompetitive第40页，共63页，2022年，5月20日，23点11分，星期五MitochondrialDNAisnotamplifiedintheeggcellsofA.thaliana,A.majusandN.tabacum.第41页，共63页，2022年，5月20日，23点11分，星期五ThespermcellsofA.thaliana,A.majusandN.tabacumcontainlessthan1copyofmtDNA.WhereasthecellsofC.meloandP.zonalecontainmorethan200copies.Maledetermines!第42页，共63页，2022年，5月20日，23点11分，星期五Insufficiencyofmitochondrialgenomes第43页，共63页，2022年，5月20日，23点11分，星期五Mesophyllcell:670mt;61.7mtDNA0.092copies/mt(1/11)Eggcell:759mt;59.0mtDNA0.078copies/mt(1/13)Spermcell:9and15mt;0.083mtDNAdegradationSimilaritybetweeneggandsomaticcells第44页，共63页，2022年，5月20日，23点11分，星期五精细胞里线粒体DNA发生降解精细胞里线粒体DNA成倍增加母系遗传父系遗传非孟德尔遗传男生说了算！（不论个头个小）第45页，共63页，2022年，5月20日，23点11分，星期五DNA结合蛋白可抑制线粒体DNA的下调DNA结合蛋白第46页，共63页，2022年，5月20日，23点11分，星期五ConclusionThemalegameteplaysacriticalroleinregulatingmitochondrialinheritanceinangiosperms;MolecularmechanismscontrollingmtDNAlevelsinthemalegameteareimportantmechanismsofmitochondrialinheritance.DNase;DNApolymerase;Tfam;Abf2p;helicase…第47页，共63页，2022年，5月20日，23点11分，星期五M.jalapaP.zonaleNon-MendelianGeneticsCarlCorrens(1864-1933)ErwinBaur(1875-1933)biparentalinheritancematernalinheritance第48页，共63页，2022年，5月20日，23点11分，星期五PlastidinheritanceDistributionofplastidsduringthefirstpollengrainmitosisdeterminesplastidinheritance.第49页，共63页，2022年，5月20日，23点11分，星期五PotentialBiparentalPlastidInheritance(PBPI)isasensitiveindicatorofbiparentaltransmission.DAPIstaining第50页，共63页，2022年，5月20日，23点11分，星期五第51页，共63页，2022年，5月20日，23点11分，星期五第52页，共63页，2022年，5月20日，23点11分，星期五ModeofCytoplasmicInheritancein295AngiospermsZhangetal.2003PlantCellPhysiol第5