線粒體既是細胞的能量工廠，又參與調節細胞的氧化還原和穩态維持。與此相應，線粒體的代謝适能（metabolic fitness）或功能失衡（mitochondrial dysfunction）與機體和組織的健康或多種疾病和衰老的發生有着直接和密切的關聯。其中，線粒體中三羧酸循環、電子呼吸鍊等所參與的氧化代謝及其調控是其功能态的核心環節。然而，由于氧化代謝的水平和氧化還原狀态各異，氧化代謝的提升還可能導緻氧化損傷的增加，如何在生理條件下的組織和細胞中界定和追蹤線粒體代謝适能的“健康态”，并針對性地探尋與之相關的質量控制以及應激調控機制，可能是回答一系列重要科學問題的關鍵契入點，亟待進行深入研究并尋求突破。
Timer是一個早年建立的熒光光譜可在一定時間内發生特定轉換的熒光蛋白（定義為由綠色熒光轉換為紅色熒光），MitoTimer則是能夠定位于線粒體基質的Timer蛋白。将Timer（MitoTimer）在細胞中表達後，雖然Timer的兩種熒光光譜似乎能反映細胞（或線粒體）中“新”、“老”Timer蛋白的構成，但其整體熒光光譜（紅綠比）可能受到多種因素的影響，Timer的這種随時間改變光譜的特性或Timer的熒光光譜用于研究生物學過程的最佳場景尚不明确。伟德官网手机版模式動物研究所的劉耕課題組通過建立MitoTimer的小鼠報告系統并解析生理穩态下小鼠骨骼肌中MitoTimer的熒光光譜，首次發現處于不同氧化代謝水平的骨骼肌組織和肌纖維中MitoTimer熒光光譜存在巨大差異（如：氧化代謝旺盛的慢肌纖維以綠色熒光為主，而以糖酵解為主要代謝模式的快肌纖維則以紅色熒光為主）。同時，年輕小鼠以及鍛煉後小鼠骨骼肌MitoTimer均呈現偏綠熒光光譜。在細胞體系中，提升氧化代謝水平同樣能促進MitoTimer偏綠光譜的呈現。進一步的研究排除了線粒體自噬以及生物合成等多種因素對氧化狀态下MitoTimer熒光光譜的影響，揭示線粒體基質蛋白水解酶的活力直接影響了MitoTimer的降解速率，尤其是MitoTimer紅色熒光的強度，是決定MitoTimer熒光光譜的主要因素，而這種“新”、“老”蛋白降解動力學的内在區别可能正是Timer特性的在活細胞中的反映。重要的是，線粒體蛋白酶活力、MitoTimer以及線粒體呼吸鍊蛋白降解和更新都與線粒體能量狀态和水平緊密偶聯。因此，偏綠的MitoTimer熒光光譜界定和指示了線粒體的一種活躍狀态，即特定氧化代謝狀态下供能效率的提升（高氧化磷酸化水平）。線粒體蛋白酶作為線粒體重要的質量控制系統，負責線粒體電子傳遞鍊蛋白複合體的組裝以及損傷蛋白的清除等功能，因此該研究的發現提示線粒體高氧化磷酸化狀态存在正向反饋的維持機制。更多實驗結果也證實這種線粒體的活躍狀态反而伴随着較低活性氧/氧化損傷以及線粒體自噬水平，顯示出線粒體代謝适能的特定狀态。綜上，MitoTimer偏綠熒光光譜的解析揭示了與線粒體高水平氧化磷酸化狀态相偶聯的質量控制機制，并指示高效而低氧化損傷的特定線粒體活躍狀态。
有趣的是，這項研究還發現多種與長壽相關而作用機制或靶點不盡相同的藥物均能夠提升線粒體氧化磷酸化水平和蛋白水解酶活力,促進MitoTimer偏綠熒光的呈現。因此，線粒體代謝适能狀态可能成為研究氧化代謝質量控制和調控機制的重要範式，該狀态的标記和示蹤也有助于抵抗退行性疾病和衰老藥物的研發。
近期，以上研究結果以“The coupling of mitoproteolysis and oxidative phosphorylation enables tracking of an active mitochondrial state through MitoTimer fluorescence”為題在線發表在Redox Biology雜志（https://doi.org/10.1016/j.redox.2022.102447），南京大學伟德官网手机版博士後解茵茵、博士生張燕南、碩士生孫愛娜為共同第一作者，南京大學伟德官网手机版劉耕教授為通訊作者。該研究得到科技部863計劃、科技部重點研發計劃以及國家自然科學基金的支持。