Hypothesis 与 History

   话说二十亿年前，命运将细胞的祖先与细菌的祖先拉在一块儿，而成为同 甘共苦、生死与共的合伙人。她们共同面对氧压力对生物体的毒性，并适当的将 其转化为成能量。此后，细胞展开多采多姿的演化之路，而共生的细菌则退居幕 后，形成所谓的线粒体 (mitochondria)。 Mitochondria 一词起于 1850 年， 显微镜专家在观察细胞内部结构时发现许多线条状  (mitos) 和颗 粒状 (chondros)  的特异形胞器，故将其以形命名为           mitochondria 。而

1912~1913 年，Kingsbury 和 Warbury 等人发现 mitochondria 为细胞 的产能中心，故将其称之为  "powerhouse of the cell"，1920~1930 年

Kerbs  发现了 citric  acid  cycle  及                1931  年   ATP  的发现更证明了

mitochondria 在细胞内能量的供应占举足轻重的地位。

Mitochondria 与 Apoptosis

一些证据指出，当初原生细菌进到细胞内的同时，不但将产能的方式带入 细胞内，以提供细胞生长、活动、分化之用；更将一些目前认为与细胞凋亡 (apoptosis) 的基因带入细胞内，最明显的例子是与 Bcl-2 相似的基因

CED-9 () 其在染色体的位置恰好在线粒体电子传递链的重要蛋白质

cytochrome b 的旁边，这些 Bcl-2 家族的成员不论结构或功能都与一些细菌 毒素相似 (如 diphtheria toxin 和 colicins)，并且 Bcl-2 家族的许多成员都

会结合在线粒体的膜上，并且能在线粒体表面形成许多孔洞，而这些孔洞的形成 会造成线粒体间质释放出 cytochrome c 和 apoptosis-inducing factor

(AIF) 去活化 caspases 而引起一连串细胞凋亡的现象发生。也因此线粒体被称之为细胞凋亡的刽子手 (executioner)。

在这宛如连续剧般的情节中，调控这些线粒体内容物的释放被认为与线粒 体膜上一种称为 mitochondrial permeability transition pore (PT pore) 的巨大信道有关，她包含了两大部分︰一是在线粒体内膜与 adenine nucleotide translocator (ANT) 相关之蛋白质；另一是在外膜的蛋白质 (包 括了 porin, voltage-dependent anion channel, VDAC)。 打开此一信道会造成线粒体内膜两侧 H+ gradient 消失、线粒体膜电位下降、matrix 渗透压 增高，造成线粒体涨大，外膜涨破之后                                                         caspase-inducing factors (cytochrome c 和 AIF) 释放到 cytosol 中造成细胞 apoptosis。在研究

PT pore 过程中发现，许多抑制 PT pore 打开的化合物可以抑制细胞

apoptosis 的发生。这些研究使得研究线粒体膜电位的改变就显得相当重要。

因为，线粒体膜电位下降不但是细胞 apoptosis 一个重要指针；也可能是调控 此一机转相当重要的关键。

Mitochondrial membrane potential (Dym) 与 Mitochondrial

Potential Sensor

线粒体在呼吸氧化过程中，将所产生的能量以电化学位能储存于线粒体内 膜 (约 250 mV/5~10 nm)，称之为 mitochondrial membrane potential (Dym)，并以此位能来进行电子传递链，最终产生 ATP 以供细胞使用。而此 一电位差形成于线粒体内膜，为外正内负的形式。 许多亲脂性的阳离子化合物 会结合到线粒体内膜，在雷射激发光下放出萤光，可以非常方便地使用萤光显微 镜或共轭焦显微镜来观察线粒体的形态和移动的变化情形。最早被发现的线粒体 染剂为 rhodamine 123 (Rh123)，Dr. Lan-Bo Chen 的实验室发现 Rh123 可特异性的染在活细胞的线粒体上，而 ionophores, uncoupler 或是一些抑 制电子传递链的药物 (rotenone, antimycin, cyanide) 都会降低 Dym，并 会减少线粒体摄入 Rh123 的量。之后，陆续有许多种不同的线粒体染剂被用来侦测 Dym，其中最大宗要算是 Molecule Probe 公司 (Engene, OR) 生产的 一系列 MitoTracker (MitoFluor Green, MitoTracker Orange, and MitoTracker Red...etc.)，这类的染剂在细胞被固定的过程也能保存其特性； 因此，常被使用于需要固定的情况并与其它像 immunocytochemistry、 DAPI、或 TUNEL 来共同染色。此外，一种早期被应用于 silver-halide-based 照片的感光剂，5, 5’, 6, 6’ -tetrachloro-1, 1’, 3,

3’-tetraethylbenzimidazolylcarbocyanine iodide (JC-1)被发现较

Rh123 或 DiOC6 对线粒体膜电位有更高的敏感性和解析分辨能力，甚至可应 用于测定单一线粒体的 Dym，JC-1 是 JC-10 之前最好的线粒体膜电位检测试

剂。

2010 年，美国 AAT Bioquest 公司开发成功新的线粒体膜电位检测试剂 JC-10, JC-10 是一类用于检测细胞功能的系列工具，包括细胞活性、细胞毒性、细胞凋亡、细胞膜电位以及细胞周期等方面的指标。JC-10 在具备