與人體器官不同，線粒體等細胞器并非固定不動，但細胞器移動的時間、位置、方式及原因仍不明確。美國科學家研究發現，當β細胞（分泌胰島素的胰腺細胞）暴露于高濃度葡萄糖時，其內部的線粒體會向細胞外圍移動。這種遷移可能參與調控胰島素分泌過程，因為β細胞的線粒體負責感知葡萄糖水平。相關研究12月19日發表于《生物物理期刊》。
“細胞器不是靜止的，它們始終在運動并相互溝通。”論文通訊作者、圣路易斯華盛頓大學生物物理學家Shankar Mukherji表示，“我們的研究結果凸顯了細胞結構組織如何在細胞功能中發揮重要作用，即使是在你可能意想不到的情況下也是如此。”
線粒體通過氧化磷酸化產生ATP，為細胞活動提供能量。先前研究表明，神經元會主動將線粒體定位在遠離細胞中心的軸突和樹突中，這些部位需要大量能量維持功能。但神經元在細胞形態與尺寸上屬于極端案例，對多數其他細胞類型的研究顯示線粒體呈看似隨機分布。因此研究人員驚訝地發現，在胰腺β細胞中，線粒體似乎會通過向細胞邊緣移動來響應葡萄糖水平的變化。
“胰腺β細胞的結構相對簡單緊湊。”Mukherji說，“它們不像神經元那樣具有特殊形態，所以當我們偶然觀察到這一現象時確實感到有些意外。”
研究人員使用熒光染料標記了實驗室培養的胰腺細胞的線粒體，將細胞分別暴露于低濃度和高濃度葡萄糖環境中，并通過顯微鏡拍攝觀察。在統計細胞不同區域的線粒體數量時，他們發現暴露于高濃度葡萄糖的細胞邊緣區域線粒體密度更高。
為探究這一現象背后的機制，研究人員采用化學物質干擾不同的細胞功能。他們發現抑制ATP生成并未影響線粒體分布，表明線粒體移動不依賴其自身功能。然而當破壞細胞的微管（細胞骨架的蛋白質組成部分）后，即使處于高葡萄糖環境，向細胞外圍遷移的線粒體數量也顯著減少。同樣地，即使存在高濃度葡萄糖，抑制環磷酸腺苷（cAMP）介導的沿微管運動，也會導致細胞外圍線粒體數量降低。
基于這些發現建立的計算模型顯示，線粒體通過結合微管來響應葡萄糖濃度變化進行自我重新分布，這種結合使它們能以比自由擴散更快、更有方向性的方式移動。
“當線粒體與微管結合時，它們向細胞邊緣運動的速度會獲得顯著提升，我們認為這種向邊緣定向運輸的機制最終是由葡萄糖觸發的。”Mukherji說。
在β細胞中，線粒體還參與胰島素分泌過程。具體而言，β細胞會持續從血液中攝取葡萄糖并將其轉化為ATP。當細胞內ATP水平達到特定閾值時，會觸發鈣離子內流，進而引發胰島素分泌。
研究人員目前正在驗證這種由葡萄糖誘發的線粒體移動變化是否與胰島素分泌直接關聯。他們還計劃開發實時拍攝線粒體運動軌跡的技術。
“線粒體處于連接葡萄糖代謝與胰島素分泌的關鍵樞紐位置。探究胰島素分泌本身依賴于線粒體在細胞內的定位，對于理解該機制與β細胞生理功能的關系至關重要，也將有助于解析疾病狀態下相關環節如何發生功能障礙。”Mukherji說。
相關論文信息：
http://doi.org/10.1016/j.bpj.2025.11.018
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