本研究由瑞士洛桑联邦理工学院（École Polytechnique Fédérale de Lausanne, EPFL）物理研究所的Tatjana Kleele和Suliana Manley领导完成，合作单位包括瑞士洛桑大学医学院实验心脏病学中心和法国巴斯德研究所线粒体生物学组。该研究成果于2021年5月5日在线发表于《Nature》杂志（第593卷，第435–439页），论文标题为《Distinct fission signatures predict mitochondrial degradation or biogenesis》（不同的分裂特征预测线粒体降解或生物发生）。
线粒体是细胞内的代谢枢纽，其分裂过程受到高度调控。线粒体分裂的失调与神经退行性疾病、心血管疾病和癌症等多种病理状态密切相关。在正常生理条件下，线粒体分裂承担着双重功能：一方面通过生成新的线粒体促进生物发生（biogenesis），另一方面通过线粒体自噬（mitophagy）清除受损的线粒体。然而，一个长期未解决的关键问题是：细胞如何决定某次分裂走向增殖还是降解？此前的分裂调控模型无法解释这两种截然不同的命运是如何被决定的。
线粒体分裂的核心执行者是动力蛋白相关蛋白1（dynamin-related protein 1, DRP1），其通过衔接蛋白（adaptor proteins）结合到线粒体外膜上驱动膜断裂。此外，内质网（endoplasmic reticulum, ER）和肌动蛋白（actin）也在分裂前参与预收缩（pre-constriction）。但不同的衔接蛋白——如线粒体分裂因子（mitochondrial fission factor, MFF）、线粒体动力学蛋白49/51（MiD49/MiD51）和线粒体分裂蛋白1（mitochondrial fission protein 1, FIS1）——之间的功能关系尚不清楚，它们在分裂中的作用是否存在分工或冗余一直存在争议。
本研究的核心目标是揭示决定线粒体分裂后命运差异的分子机制和形态学特征，特别是分裂位点在线粒体长轴上的空间位置是否编码了不同的功能信息。
本研究采用高时空分辨率的活细胞结构光照明显微镜（structured illumination microscopy, SIM）作为核心技术手段，对非洲绿猴COS-7细胞和原代新生小鼠心肌细胞中的线粒体动态进行了系统观察与分析。
第一步：分裂位点分布规律的分析。 研究团队在不使用药物诱导的条件下记录了自发性线粒体分裂事件，通过对数百次分裂事件的定量分析，统计了分裂位点在线粒体相对长度轴上的分布。他们发现分裂位点呈现双峰分布（bimodal distribution）：一类发生在线粒体尖端25%长度范围内，称为“外周分裂”（peripheral fission）；另一类发生在中央50%区域，称为“中区分裂”（midzone fission）。这一分布在COS-7细胞（n=1393次分裂）和小鼠心肌细胞（n=381次分裂）中均得到验证，且不依赖于线粒体的绝对长度。
第二步：分裂前生理状态的检测。 研究者使用多种荧光探针监测分裂前线粒体的功能状态。膜电位通过四甲基罗丹明乙酯（TMRE）染料检测，活性氧（reactive oxygen species, ROS）通过MitoSOX和遗传编码的Mito–Grx1–roGFP探针检测，基质pH通过遗传编码探针SypHer检测，钙离子（Ca²⁺）水平通过Mito–R-GECO1和CEPIA3–mt探针检测。结果显示，外周分裂前小女儿线粒体表现出膜电位降低、ROS积累和Ca²⁺升高，而中区分裂前后未观察到这些变化。
第三步：分裂后命运的追踪。 研究者利用PicoGreen染色检测线粒体DNA（mtDNA）核质团（nucleoids）的分布，发现32%的外周分裂小女儿线粒体不含任何核质团，而中区分裂的这一比例仅为3%。通过Twinkle–GFP标记复制中的核质团，发现中区分裂的女儿线粒体含有更多的复制型核质团，提示其具有增殖功能。此外，通过追踪分裂后女儿线粒体的行为，发现外周分裂产生的小线粒体被排除在后续的融合和分裂事件之外，并且与溶酶体（lysosome）接触的概率高达92%，而中区分裂仅为13%。YFP–Parkin的积累进一步证实外周分裂与线粒体自噬通路相关。
第四步：细胞环境对分裂类型的调控。 研究者通过不同处理条件测试两种分裂类型是否可被独立调控。在COS-7细胞中，无葡萄糖培养基（半乳糖替代）和紫外线照射引起的代谢应激均选择性增加外周分裂速率，而中区分裂速率保持不变。在心肌细胞中，异丙肾上腺素（isoproterenol）刺激引起的氧化应激同样选择性增加外周分裂。相反，miR-199处理诱导的细胞增殖选择性上调中区分裂速率。
第五步：分子机制的解析。 利用内源性标记的U2OS细胞系（MFF–GFP和FIS1–GFP），研究者发现MFF在中区分裂位点形成明亮的聚集点（foci），而在外周分裂位点聚集强度减半；FIS1则均匀分布在线粒体外膜上，但在外周分裂的小女儿线粒体上显著富集。通过基因敲除小鼠胚胎成纤维细胞（MEF）模型，研究确认了分子分工：DRP1敲除完全抑制所有分裂；MFF敲除仅降低中区分裂速率；FIS1敲除仅降低外周分裂速率；MiD49/MiD51双敲除对两种分裂均有约35%的抑制。此外，内质网接触和肌动蛋白聚合仅在中区分裂前发生，而外周分裂前出现的是溶酶体接触。
分裂位点的双峰分布揭示了线粒体分裂并非随机发生，而是存在两种空间上可区分的模式。这一发现为后续的功能研究提供了分类基础。
生理状态的差异说明了外周分裂与线粒体功能障碍之间的因果关系：膜电位下降、ROS积累和Ca²⁺升高均发生在分裂之前，且这些变化在形态学上可见的收缩之前就已出现，表明线粒体内部的生理梯度可能作为分裂位点的定位信号。值得强调的是，研究者通过Mito–GFP强度对照实验排除了体积效应的影响，证实这些生理差异不是由于小线粒体体积减小造成的假象。
命运追踪结果建立了分裂位置与命运之间的直接关联。mtDNA的缺失表明外周分裂产生的部分小线粒体不具备独立维持功能的能力，而中区分裂产生的线粒体含有活跃复制的核质团，支持其增殖功能。溶酶体接触、线粒体衍生囊泡（mitochondria-derived vesicles）的形成以及Parkin的募集共同构成了外周分裂走向线粒体自噬的完整通路。对分裂后线粒体的长时间追踪进一步确认了小外周女儿线粒体被排除在网络融合之外，从而决定性地走向降解。
细胞环境调控实验证明了两种分裂类型的独立可调性，这是理解其生理意义的关键。代谢应激和mtDNA损伤选择性上调外周分裂，表明这是细胞清除受损线粒体的适应性反应；而细胞增殖选择性上调中区分裂，表明这是满足新线粒体生成需求的机制。这些结果在功能上将分裂类型与细胞生理状态联系起来。
分子机制解析揭示了两种分裂类型在分子水平上的根本差异。ER接触和肌动蛋白聚合仅参与中区分裂，而溶酶体接触参与外周分裂。这一发现解释了此前文献中关于ER接触参与分裂比例不一致（60–90%）的争议——那些不涉及ER的分裂很可能是外周分裂。MFF和FIS1在两种分裂类型中的差异化作用为衔接蛋白的功能分工提供了明确证据，特别是FIS1不形成分裂位点聚集而是全局富集的观察，挑战了FIS1作为DRP1衔接蛋白的传统观点，转而支持其通过招募溶酶体调控外周分裂的新模型。
本研究通过精细的时空分辨分析，揭示了线粒体分裂位点的空间位置是决定其命运的关键形态学特征：外周分裂产生的小线粒体走向降解，中区分裂产生的线粒体走向增殖。两种分裂类型由不同的分子机制介导：中区分裂依赖ER接触、肌动蛋白聚合和MFF，而外周分裂依赖溶酶体接触和FIS1。这一发现解决了线粒体分裂既能促进生物发生又能介导降解这一长期悖论。
该研究的科学价值在于：第一，建立了分裂位置与功能命运之间的因果联系，为理解线粒体质量控制提供了新的理论框架；第二，提出的“线粒体内生理梯度作为外周分裂定位信号”的假说为理解无外膜接触条件下的分裂位点选择提供了新思路；第三，揭示了衔接蛋白的非冗余功能分工，修正了此前关于分裂机器冗余性的认识。
在应用价值方面，该研究的发现对病理状态下的治疗策略具有重要指导意义。过度分裂是多种疾病的标志，而现有治疗方案倾向于使用广谱分裂抑制剂。然而，如果病理条件下仅一种分裂类型发生失调，使用全局性抑制剂可能进一步破坏细胞稳态。本研究的发现提示了开发更具靶向性的治疗策略的可能性——例如选择性调节FIS1或MFF介导的通路，而非全面抑制DRP1。
本研究的突出亮点包括：第一，采用活细胞结构光照明显微镜实现了对线粒体分裂位点的精确空间定位和分裂前生理状态的动态监测，克服了此前因线粒体形态异质性和超微结构低于衍射极限而导致的分析困难；第二，通过数百次分裂事件的定量分析揭示了分裂位点的双峰分布规律，这一规律的发现依赖于大规模数据的系统分析；第三，利用基因敲除细胞系和siRNA敲低实验的交叉验证，建立了分子机制与功能表型之间的因果关系；第四，将细胞环境调控实验与分子机制研究相结合，证明了两种分裂类型的独立可调性，为理解线粒体如何响应不同的细胞需求提供了完整图景；第五，对FIS1功能的新诠释——不是作为DRP1的直接衔接蛋白，而是通过招募溶酶体参与外周分裂的调控——代表了该领域的重要概念更新。