9月1日，Cell出版社生物物理學權威雜志Biophysical Journal在線發(fā)表了中科院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院劉興國研究組的研究成果“Modeling of Mitochondrial Donut Formation”。該研究針對缺氧/復氧病理條件下線粒體應答的新形態(tài)-“甜甜圈（donut）”，首次通過構建3D動態(tài)數(shù)學模型計算結構轉換中的自由能變化，論證了線粒體“甜甜圈”形成的自發(fā)性和“甜甜圈”存在的穩(wěn)定性。 

　　缺氧/復氧過程廣泛存在于心腦血管、腎病等多種疾病以及人工手術過程中，比如心臟缺血再灌注，在這個過程中，在缺血時組織細胞面臨缺氧和葡萄糖缺乏導致的饑餓，恢復供血后細胞突然大量死亡，造成器官壞死和功能異常。研究組以此病理學為基礎，在前期研究中發(fā)現(xiàn)線粒體應答的新形態(tài)-“甜甜圈”，這一“甜甜圈”形態(tài)的線粒體在環(huán)境條件恢復正常時可以迅速恢復膜電勢，恢復正常呼吸功能。然而，缺氧/復氧病理條件下線粒體由正常的線狀或粒狀變?yōu)椤疤鹛鹑Α钡牧W機制和能量過程一直不清楚。 

　　本研究精確測量了線粒體的直徑，并統(tǒng)計線粒體“甜甜圈”環(huán)結構直徑的數(shù)值分布（95%大于0.8微米）。在此基礎上，本研究構建了3D光滑曲面的“幾何線粒體”模型，通過對曲面任意點的積分定量線粒體的3D空間信息，因此這一模型可以模擬線粒體的實時動力學：膨脹/縮小，融合/分裂，彎曲和變身為有尾巴和無尾巴的兩種“甜甜圈”。研究組通過計算線粒體從線狀變身為“甜甜圈”的過程中彎曲能和滲透壓能的變化，構建了這一過程自由能變化模型。結果表明，彎曲能是線粒體變身為“甜甜圈”的主要障礙，而“甜甜圈”直徑小于0.8微米將帶來極大的自由能增加。這一模擬計算的結論與實際觀察的“甜甜圈”環(huán)結構直徑的數(shù)值分布完全一致。 

　　細胞能量狀態(tài)和亞細胞結構轉換一直是外界信號調控的兩大方面。本研究建立了3D動態(tài)數(shù)學模型，論證了線粒體結構轉換中的能量控制機制，是細胞能量狀態(tài)和亞細胞結構轉換之間相互作用的范例。線粒體處于不斷的動態(tài)中，這對于細胞的“生老病死”非常重要。本研究針對缺氧/復氧這一重要病理條件下，線粒體應答外界壓力變身為新形態(tài)“甜甜圈”，闡明了這一過程發(fā)生的自發(fā)性和“甜甜圈”存在的穩(wěn)定性，是線粒體適應性動力學應答的新模式。 

　　本研究獲得中科院、科技部、國家自然科學基金、廣東省和廣州市的經(jīng)費支持。  

線粒體變身“甜甜圈”

線粒體變身“甜甜圈”的自由能曲線