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中國科學(xué)院近代物理研究所輻射醫(yī)學(xué)室科研人員利用蘭州重離子加速器國家實(shí)驗(yàn)室和中科院重離子束輻射生物醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究外源性正電荷替換質(zhì)子、構(gòu)建線粒體假膜電勢誘導(dǎo)細(xì)胞自噬獲得新進(jìn)展。
真核細(xì)胞利用線粒體內(nèi)膜呼吸鏈，將NADH和FADH2氧化、伴隨有質(zhì)子產(chǎn)生并泵入線粒體膜間隙中。質(zhì)子的產(chǎn)生使得膜間隙積累大量正電荷，形成橫跨線粒體內(nèi)膜兩側(cè)的電勢差（Mitochondrial Membrane Potential，MMP），簡稱為線粒體膜電勢。在這種勢能的作用下，質(zhì)子從膜間隙通過ATP合酶回流至線粒體基質(zhì)驅(qū)動(dòng)氧化磷酸化反應(yīng)，合成大量ATP。細(xì)胞的能量供給源于線粒體，膜間隙質(zhì)子梯度是維系能量合成的驅(qū)動(dòng)力。
研究人員發(fā)現(xiàn)，親脂性陽離子型試劑MitoQ 能夠順應(yīng)電勢差、靶向插入線粒體內(nèi)膜，其三苯基磷陽離子團(tuán)（TPP+）所攜帶正電荷大量摻入到膜間隙質(zhì)子中，使得MMP快速升高。為維持MMP穩(wěn)定，細(xì)胞代償性抑制呼吸鏈復(fù)合體Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ活性，降低質(zhì)子的泵出速率。隨著膜間隙中質(zhì)子補(bǔ)充量的減少、TPP+富集量的增多，zui終外源性的正電荷取代質(zhì)子，建立起由外源性正電荷維系的線粒體假膜電勢（Pseudo–MMP，PMMP）（圖1）。
線粒體假膜電勢的產(chǎn)生引起質(zhì)子通過ATP合酶回流量的降低，細(xì)胞呼吸耗氧量的減少，能量代謝異常引起細(xì)胞饑餓。ATP降低、AMP升高，激活細(xì)胞內(nèi)重要的“能量傳感器”——AMPK（AMP依賴的蛋白激酶），活化后的AMPK能夠抑制mTOR（哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白）的磷酸化，誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生自噬（圖2）。
此項(xiàng)研究在真核細(xì)胞內(nèi)發(fā)現(xiàn)線粒體假膜電勢現(xiàn)象，并將其命名為“Pseudo - Mitochondrial Membrane Potential”；針對(duì)自噬這一重要細(xì)胞生理過程，提出了外源正電荷對(duì)質(zhì)子替換的全新理論；揭示了親脂性陽離子型試劑靶向干預(yù)線粒體能量代謝的新機(jī)理。線粒體假膜電勢誘導(dǎo)細(xì)胞自噬為腫瘤放射治療過程中受牽連正常組織的輻射防護(hù)研究提供了新思路。
該研究得到國家自然科學(xué)基金委員會(huì)—中國科學(xué)院大科學(xué)裝置聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金及中科院西部人才項(xiàng)目的資助。
圖1 MitoQ正電荷替換質(zhì)子構(gòu)建線粒體假膜電勢
圖2 線粒體假膜電勢干預(yù)能量代謝誘導(dǎo)細(xì)胞自噬
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