Mitochondria and Plastidsmorphologydynamicsfunction& inheritanceKnowledge not yet included in the text books北京大学 苏都莫日根 sodmergn@ Part Imorphology and dynamics 光学显微镜下的线粒体1890年Altmann（德国）D: 0.3-1 µm; L: 1.5-3.0 µm 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-Simarro et al. 2008中的Fig. 7，有改动 DAPIElectron microscopyMito Tracker ConclusionThe morphology and number of mitochondria are highly regulated in the cells; This regulation maintains the proper shape and content of mitochondria in certain cells. 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Arimura et al. 2004中的Fig. 2和Fig. 4，有改动 “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Hales and Fuller 1997中的Fig. 1以及Westermann 2003中的Fig. 3，有改动。
fuzzy onion? 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，无规则运动和融合现象发生Bar = 3微米（a）， 10微米（b）图片来自Mozdy and Shaw 2003中的Fig. 2以及Chen et al. 2003中的 Fig. 4，有改动 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Drp1Bar = 2微米（a）， 5微米（b），2微米（c上）， 0.1微米（c下）图片来自Mozdy et al. 2000中的Fig. 1、Labrousse et al. 1999中的Fig. 4和Fig.7，有改动 ConclusionThe morphology and number of mitochondria in cells are regulated by well-balanced mitochondrial fusions and divisions;The fusions and divisions takes place frequently, allowing all mitochondria in a cell as a discontinuous whole. 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Kuroiwa et al. 1995中的Fig. 1、Fig. 3和Fig.4，有改动 红藻分裂环的分离及蛋白质鉴定参见Yoshida et al. 2009 Curr Biol in press 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 CRUMPLED LEAF (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Asano et al. 2004 Plant J ConclusionThe morphology and number of plastids arehighly regulated in plant cells; This regulation maintains the proper shape and content of plastids in the cells. 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Miyagishima et al. 1999中的Fig. 2（a），Miyagishima et al. 1998中的Fig. 4（b）以及Kuroiwa et al. 2002中的Fig. 2（c），有改动 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Kuroiwa et al. 2002中的Fig. 1（a），Miyagishima et al. 2006中的Fig. 2以及Glynn et al. 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ARC5PDV1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Glynn et al. 2008中的Fig. 7 FtsZ 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-filled tubule → 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Kohler et al. 1997中的Fig. 3以及Ishida etal. 2008中的Fig. 5，有改动 ConclusionThe volume and number of chloroplasts are regulated by plastid divisions during early leaf development;Plastid fusion is not observed. However, stromule provides dynamic connections between plastids, allowing all plastids in a cell as also a discontinuous whole. 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（avoidance response）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（accumulation response）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Oikawa et al. 2003中的Fig. 1，有改动Chup1: chloroplast unusual positioning 1Chup1, 叶绿体外膜蛋白，与actin结合 Development of chloroplastsvar2 variegation serve as a quite extreme case for plastid vegetative lineage, but unusual for natural green plants. 叶绿体分化及分化异常的表现在烟草中，叶绿体基因atpA 的RNA编辑异常可引起植株白化（WAT-9）野生型拟南芥（WT）叶肉细胞中原质体分化为叶绿体，而花叶突变体（var2）叶片白斑部分的叶肉细胞内质体形成白色体（绿色区域内质体形成正常的叶绿体）植物的花叶突变体在园艺中常被视为珍稀观叶品种，其变异的分子生物学机理多数不祥（unknown示一种未知变异机理的常春藤花叶突变体）。
Bar = 2微米部分图片（WAT-9）来自Schmitz-Linneweber et al. 1995中的Fig. 2（有改动），其它图片由由北京大学张泉博士、胡迎春博士及日本冈山大学W. Sakamoto博士提供 Part IIfunction Noji et al. 1997The γ-subunit rotates in an anticlockwise direction with the rotary torque at more than 40 pN/nm.natureDirect observation of the rotation of F1-ATPase 线粒体的生物化学氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）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-cytoplasmic incompatibility 光反应(电子传递)暗反应(碳同化)合成合成 ATPATP使用使用 ATPATP Part IIIinheritance M. jalapaP. zonaleNon-Mendelian GeneticsCarl Correns (1864-1933)Erwin Baur (1875-1933)biparental inheritancematernal inheritance 探索合子和雄配子体调控机制的分子生物学机理 Mitochondrial Diseases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 EggSperms“The sperm cell is too small to contain mitochondria.”“The sperm may contain a few mitochondria but these mitochondria remain outside of the zygote at fertilization.”R. DawkinsWhy maternal? Chlamydomas mating5 min after matingFrom Kuroiwa et al. 1982Maternal inheritance of plastid (A) and biparental inheritance of mitochondrial (B) in Cucumis melo.From Havey et al. 1998 5.0 x 10550mtDNA(copies/cell)1.0 x 103EggSpermSomaticMaternal inheritancewith paternal leakage at 1.0 x 10- 4From Shirata et al. 2000; Hecht et al. 1984; Cummins 1998; Gyllensten et al. 1991Additional sperm mitochondria, if introduced to the fertilized eggs by microinjection, result in remarkable paternal transmission.500 fold duplicated20 fold declined Digestion of sperm mitochondria in the zygote. Ubiquitination of male mitochondria:Ubiquitinated prohibitin as aproteolytic markerFrom Thompson et al. 2003 ConclusionIt is not the smallness of sperm cell that determines maternal inheritance;The relative inputs of sperm and egg mtDNA are critical for mitochondrial inheritance;An ubiquitin-mediated degeneration of sperm mitochondria is suggested to act as a trigger for maternal inheritance. Non-Mendelian geneticsno genesno mutantsIn plants, the first step is to understand how organelle inheritance is regulated at the cellular level.Degradation of male mtDNA for maternal inheritance Isolation of gametic cells for single-cell PCR to determine the copy number of mtDNA Target Sequences:maturasecoxICompetitive PCR sensitivecompetitive A PCR test using Arabidopsis mesophyll chloroplasts Mitochondrial DNA is not amplified in the egg cells of A. thaliana, A. majus and N. tabacum. The sperm cells of A. thaliana, A. majus and N. tabacum contain less than 1 copy of mtDNA.Whereas the cells of C. melo and P. zonale contain more than 200 copies.Male determines! Mesophyll cell: 670 mt; 61.7 mtDNA 0.092 copies / mt (1/11)Egg cell: 759 mt; 59.0 mtDNA 0.078 copies / mt (1/13)Sperm cell: 9 and 15 mt; 0.083 mtDNA degradationSimilarity between egg and somatic cellsInsufficiency of mitochondrial genomes ConclusionThe egg cell of angiosperm maintains mtDNA equivalent in amount to a somatic cell;Mitochondrial inheritance seems to be determined by unilateral regulations of sperm mtDNA. 0.47 copiesDown-regulationwhen &how? 基础知识花粉发育及精细胞线粒体DNA上下调非孟德尔遗传现象发现与1909年。
实验表明被子植物精细胞线粒体DNA的上下调是调控线粒体遗传方式的决定性因素 A 30-fold down-regulation of mtDNA (482.7/16.0) occurs in the pollens of A. majus. An early generative cell of A. majus may contain 23.4 copies of mtDNA (482.7/20.6).Compared to 0.47 copies detected from the mature generative cell, it appears a 50-fold degradation occurs in generative cell. C. meloP. zonaleDuplication of sperm mtDNA in C. melo and P. zonale DNADNADNADNA结合蛋白可抑制线粒体结合蛋白可抑制线粒体结合蛋白可抑制线粒体结合蛋白可抑制线粒体DNADNADNADNA的下调的下调的下调的下调DNA结合蛋白 ConclusionThe male gamete plays a critical role in regulating mitochondrial inheritance in angiosperms;Molecular mechanisms controlling mtDNA levels in the male gamete are important mechanisms of mitochondrial inheritance.DNase; DNA polymerase; Tfam; Abf2p; helicase… Plastid inheritanceDistribution of plastids during the first pollen grain mitosis determines plastid inheritance. Potential Biparental Plastid Inheritance (PBPI) is a sensitive indicator of biparental transmission.DAPI staining Mode of Cytoplasmic Inheritance in 295 AngiospermsTotalBiparentalMaternalFamilies9824(24%)74(76%)Genera25542(17%)213(83%)Species29556(19%)239(81%)Zhang et al. 2003 Plant Cell Physiol Divergence in mode of plastid inheritance in traditional Caprifoliaceae Biparental plastid inheritance occurs unilaterally from maternal inheritance duringthe middle and late periods of angiosperm phylogeny.biparentalmaternal Why maternal and why biparental? Plastid-nuclear incompatibility in Pisum is rescued by pollinations with wild-type pollensa a plant with plastid-nuclear incompatibility;b a partially recovered plant; c a totally recovered plantBogdavova et al. 2007P wild-type; M mutant; lane 1-15 F1Bsc 4I digested plastid trn K DNA after PCR amplification ConclusionBiparental plastid inheritance occurs and wild spreads in angiosperms;The revival of biparental plastid inheritance may have rescued angiosperm species with defective plastids. r欢迎有志于科学探索欢迎有志于科学探索的的Thank You ! 。