在前两期对线粒体基础实验的介绍中，相信各位老师对线粒体研究中的基本实验已经有了初步的了解。今天，我们将讨论一篇令人瞩目的正刊文章，标题为“细胞ATP需求产生代谢上不同的线粒体亚群”，希望这能激发大家的研究思路。文章中，研究人员发现了一组新的线粒体亚型，这一点非常有趣。为了帮助大家更好地理解其研究思路，我们可以将其归纳为经典的A基因通过B机制在C表型中调控D功能的模型。

一般来说，线粒体通过氧化磷酸化（OXPHOS）来产生ATP以供能，但实际上它还参与多种代谢物的生物合成。这项研究的核心基因A是通过STRING PPI分析获得的，分析结果将参与线粒体代谢的酶划分为不同的簇：簇1涉及TCA循环的蛋白质，簇2则与氨基酸生物合成相关，而簇3的蛋白质参与单碳代谢。P5CS基因（由ALDH18A1这个基因编码）将这三个簇连接在一起，它位于簇2，是脯氨酸和鸟氨酸在线粒体生物合成中的限速酶。这给我们带来了一个新的研究思路，即寻找核心基因作为桥梁分子，这可能成为一个很好的研究靶点。

当细胞处于血清饥饿状态时，P5CS的分布与线粒体基质蛋白丙酮酸脱氢酶（PDH）相似。在补充血清后，细胞开始增殖，P5CS形成丝状结构，但总蛋白水平却保持不变。当细胞在仅依赖OXPHOS生成ATP的半乳糖培养基中培养时，这些丝状结构变得更加明显。同时，由于P5CS的总量未改变，从而导致含有P5CS的线粒体比例降低。

进一步研究发现，当OXPHOS需求增加时，P5CS会聚集形成一个子集，即P5CS-线粒体，这些线粒体缺乏ATP合酶，并且膜电位显著高于缺乏P5CS的线粒体。众所周知，ATP合酶对线粒体嵴的形成至关重要，而P5CS-线粒体由于没有ATP合酶，其嵴结构几乎完全丢失，缺乏P5CS的线粒体则显示出清晰的嵴。在P5CS-线粒体中，MICOS复合物的MIC60成分缺失，而该成分对于嵴的形成和维持是必需的。

由于P5CS是脯氨酸和鸟氨酸生物合成中的限速酶，我们接下来探讨其在氨基酸代谢中的作用。研究表明，在氧化培养条件下，MEF细胞能够维持其细胞内的脯氨酸水平，且未损害细胞参与谷氨酸还原生成脯氨酸、鸟氨酸和腐胺的能力。这提示细胞内存在调节氨基酸合成的机制。同时，在增加氧化磷酸化的条件下，P5CS与ATP合酶分离形成P5CS-线粒体，若补充鸟氨酸和脯氨酸，则可抑制这种分离现象。

P5CS-线粒体的形成受线粒体动力学分子的调控，相关研究通过敲除和恢复MFN1/2、DRP1等分子，确认了线粒体动力学对P5CS-线粒体形成的影响。MFN1/2的缺失会导致P5CS无法聚集，而DRP1的缺失则使P5CS无法与ATP合酶分离，从而无法产生P5CS-线粒体。

在胰腺癌（PDAC）样本中也观察到P5CS-线粒体的存在，以及相应的无ATP合酶和无嵴结构的表型，这也可能成为肿瘤细胞的一种生存策略。

总结来说，在应激条件下，P5CS在细胞内可能通过线粒体动力学的介导，形成一种无嵴且不产生ATP的新型线粒体，专门负责氨基酸的合成。这为今后的研究提供了新的思路：除了能量代谢和脯氨酸与鸟氨酸的合成外，还有没有其他线粒体类型？P5CS是否还有其他功能？这种无嵴线粒体在肿瘤或其他疾病模型中又会发挥什么作用，是否存在其他标记物？整个信号通路的调控机制是怎样的？这些问题都值得我们深入探索。

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参考文献：Ryu KW, Fung TS, Baker DC, et al. Cellular ATP demand creates metabolically distinct subpopulations of mitochondria. Nature 2024; 635(8039): 746-754. doi: 10.1038/s41586-024-08146-w