作者:Phys Thamarasee Jeewandara
（同organic）有机 S
酿酒酵母细胞区分野生型和突变型mtDNA
(一)谱系分析示意图
将两个携带WT或δcob::ARG8 mtDNA的δARG8酵母菌株进行交配
分离合子，通过显微切割将来自多达五个连续世代的子代细胞分离并置于琼脂平板上的自由点上
(二)显微解剖后谱系分析的生长模式
菌落最初在含有葡萄糖的培养基上生长
mtDNA基因型是从菌落在缺乏合成精氨酸的培养基(δcob::ARG8 mtDNA)或含有不可发酵碳源甘油的培养基(WT mtDNA)上生长的能力推断出来的
星号表示复制平板携带的细胞物质，在进一步培养时未能产生明显的菌落
关于谱系分析的进一步说明和确认，请参考图
S1(乙级至丙级)
(三)WT细胞谱系分析
条纹表示含有WT和δcob::ARG8 mtDNA的异质细胞百分比
灰色或红色条分别表示含有WT或δcob::ARG8 mtDNA的同质细胞的百分比
(四)完整或突变mtDNA的遗传
两个细胞之间的交配事件，或者用WT-LacO(绿色荧光蛋白，P1)或者δcob::ARG8-TetO(mruby 3，P2) mtDNA
这两种细胞都表达核编码的基质靶向TagBFP
已经绘制了子细胞中GFP或mRuby3斑点相对于各自mtDNA变体总数的百分比
大圆圈代表单个实验的平均值
**P 线粒体基因组(MtDNA)包括线粒体呼吸链的必需亚单位；因此，mtDNA突变会降低细胞能量支持，导致线粒体疾病
研究人员试图了解细胞是如何跨代保护mtDNA的完整性的
在一项发表在《科学进展》杂志上的新研究中，Christopher Jakubke和一个国际生物学和生物物理学研究小组展示了单细胞酿酒酵母如何在细胞内区分功能性mtDNA和缺陷性
这项研究的结果可以支持一个模型，该模型显示了mtDNA和它编码的蛋白质之间的接近程度如何能够创造一个影响范围来理解细胞中的功能mtDNA
线粒体 线粒体包含自己的基因组，称为线粒体DNA (mtDNA)，可以编码呼吸链的核心亚单位，包括线粒体蛋白质翻译所需的一系列蛋白质
因此，mtDNA的多个拷贝分布在整个线粒体网络中，因此mtDNA突变对线粒体功能有害
研究人员试图了解，尽管线粒体突变率很高，但mtDNA的完整性如何能保持几代人
对果蝇和小鼠的研究表明，通过一种被称为纯化选择的过程，可以在雌性生殖系中去除突变的mtDNA拷贝
例如，研究人员提出了果蝇线粒体裂变对这一过程的贡献，而只包含一个或几个线粒体基因组的小线粒体片段可以将mtDNA拷贝相互分离
尽管在线粒体研究方面取得了类似的进展，但许多关于促进针对突变mtDNA的选择的细胞机制的问题仍有待回答
Jakubke等人
因此探索了在酿酒酵母中遗传操作mtDNA的可能性；研究mtDNA质量控制过程的芽殖酵母模型
WT细胞交配过程中的线粒体形态
含有WT或cob::ARG8(突变型)mtDNA的两个细胞之间的交配事件
细胞表达基质靶向的mKate2 (WT mtDNA，青色)或NG (cob::ARG8 mtDNA，洋红色)
通过活细胞显微镜监测交配事件
显示了明场、单个荧光通道和两个荧光通道的合并
信用:科学进展，10
1126/sciadv
abi8886 南方线粒体基因组(mtDNA)的质量控制
酿酒酵母 起初，Jakubke等人
测试了单细胞的S
酿酒酵母可以在细胞内区分完整的和突变的mtDNA，以支持年轻和健康的mtDNA含量的产生
在实验过程中，他们在异质单酵母细胞中从基因上遵循了野生型mtDNA拷贝和突变型mtDNA拷贝的区别
为了实现这一点，研究小组使用了两种相反交配类型的酵母菌株
第一个菌株含有一个野生型mtDNA和一个缺失的基因，该基因通常编码一种称为Arg8的线粒体定位蛋白，这是合成精氨酸所必需的
该菌株在含有非发酵碳源的培养基上生长，但不在不含精氨酸的培养基上生长
下一个菌株在缺乏精氨酸的情况下生长，但不是在不可发酵的碳源上生长
这两种菌株保持了相当的mtDNA量，研究小组使用定量实时聚合酶链式反应实验进行了验证
mtDNA编码的Atp6-NG显示出有限的扩散
表达ng标记的Atp6菌株的生长分析
在含有葡萄糖或甘油作为碳源的富培养基上发现指示菌株的系列稀释物，并在30或37℃下培养
(二)表达Atp6-NG和基质靶向mScarlet的DAPI染色细胞的结构照明显微镜检查
示出了沿着指示线的像素强度的线图
a
u
任意单位
(三)Atp6-NG标记菌株与表达基质标记Su9-mKate2的菌株的交配实验示意图
线粒体膜蛋白在合子融合线粒体中的扩散
表达基质靶向mKate2的细胞与表达mtDNA编码的Atp6-NG (D)、核编码的Fis1-NG (E)或Pam16-NG (F)的细胞交配
比例尺，5微米(B)和10微米(D至F)
信用:科学进展，10
1126/sciadv
abi8886 实验 利用显微切割，该团队将单个合子转移到琼脂平板上的无细胞区域，该区域含有丰富的培养基和葡萄糖作为可发酵的碳源，以支持野生型细胞或突变mtDNA的生长
该团队将酵母细胞增殖的过程延续了五代，以分别指示野生型或突变型mtDNA的存在
该方法显示出对野生型mtDNA拷贝的强烈偏好
Jakubke等人
使用微观方法来可视化野生型vs
从合子开始的出芽酵母子细胞中的突变mtDNA
结果表明
酿酒酵母细胞可以区分野生型和突变型mtDNA，以促进健康mtDNA含量的增长
在连续线粒体网络中选择对抗突变mtDNA 线粒体在S区可形成连续的管状网络
不断被聚变和裂变事件重新排列的酿酒酵母
例如，功能失调的线粒体不能与健康的线粒体融合形成一个连续的网络，因此被保存在不同的隔室中
科学家们使用活细胞显微镜检查两种酵母菌株交配时线粒体融合的可能性并成像
尽管进行了谱系混合努力，酵母合子仍继续区分突变型和野生型mtDNA，产生以野生型mtDNA为主的子细胞
科学家们提出线粒体裂变是评估针对突变型mtDNA的选择的一个过程，但是他们没有发现含有野生型和突变型mtDNA的细胞交配后线粒体碎片增加
完整的嵴形态限制了mtDNA编码的Atp6-NG的扩散
(一)来源于野生型或指示突变型细胞间交配事件的合子
在每次交配事件中，一个细胞含有ATP6-NG mtDNA (P1)，另一个细胞含有WT mtDNA并表达基质靶向mKate2 (P2)
d，子细胞
(二)Atp6-NG信号在合子的两个亲代细胞中都被定量，并标准化为线粒体网络长度
绘制了同一合子的P2细胞和P1细胞中Atp6-NG信号的比值；每个点代表一个合子；**P 线粒体的功能分区 研究小组注意到线粒体中特定野生型和突变型mtDNA的选择是如何在一个连续的网络中发生的
他们假设线粒体网络中存在子域，这些子域的功能由附近mtDNA的拷贝决定
为了理解这一点，他们在交配实验中对活细胞进行了蛋白质扩散研究
结果显示，与线粒体内膜或外膜的蛋白质相比，呼吸链复合体的亚单位在整个线粒体小管中保持平衡
进一步的观察也强调了嵴的重要性；线粒体内膜的褶皱，用于维持内膜域，防止不同mtDNA拷贝的基因产物混合
嵴通过两种相互排斥的机制进一步支持mtDNA介导的线粒体亚结构域的形成
该小组进行了进一步的研究，以了解克里斯塔在限制mtDNA流动性方面的作用
Jakubke等人
然后展示了鸡冠花在mtDNA质量控制中的重要作用
例如，在具有缺陷嵴结构的突变体中，在野生型和突变型mtDNA之间进行选择的能力严重受损
mtDNA质量控制依赖于正常的嵴形态
缺乏指示基因菌株的系谱分析
WT谱系(A)与图1相同
1C，显示可与(B)至(F)中的突变体分析进行比较
χ2检验已被用作统计假设检验，将突变株的第一代和第五代数据与WT进行比较
融合线粒体网络中的mtDNA质量控制模型
WT细胞中的mtDNA拷贝只为其周围的嵴提供mtDNA编码的蛋白质
含有mtDNA编码亚单位的呼吸链复合体扩散能力有限，被困在嵴内，导致mtDNA的势力范围
在嵴结构受损的细胞中，呼吸链复合体的有限扩散受到损害
信用:科学进展，10
1126/sciadv
abi8886 观点 通过这种方式，克里斯托弗·雅各布和他的同事展示了单细胞生物是如何
酿酒酵母促进了含有野生型和突变型mtDNA的健康mtDNA群体后代的产生
纯化选择的过程发生在没有线粒体融合的连续线粒体网络中
这一发现引发了进一步的研究，以了解细胞在线粒体网络中检测突变型mtDNA的机制
基于谱系分析实验，Jakubke等人
展示了具有缺陷嵴的突变体如何不能在野生型和突变型mtDNA之间进行鉴别，以支持具有功能性mtDNA的后代
研究结果也支持了一个依赖于保留正常嵴结构的影响范围
科学家们强调了在南极活跃的净化选择过程
酿酒酵母基于几个实验来理解从健康细胞中清除突变mtDNA的分子机制
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