图1：查看电池发电站DNA的NaNoworld：超级分辨率发生的显微镜能更详细地观察线粒体DNA的组织结构。在所示的细胞中，线粒体染成红色，细胞核染成蓝色，线粒体DNA染成绿色(资料来源:马克斯·普朗克生物物理化学研究所Göttingen，马克斯·普朗克衰老生物学研究所，科隆/克里斯蒂安·沃姆，Corinna Schwierzy)。
并非所有基因都在细胞核中
大约20亿年前，为了在其他细胞内共生(内共生)，今天的线粒体的进化前体放弃了它们作为细菌的独立存在。与此同时，它们为我们体内几乎所有的细胞提供大部分的能量:线粒体内大部分营养物质的能量被氧化形成ATP分子，ATP分子可以在细胞内的任何地方被用作万能的能量供应者。共生关系还可以从以下事实中看出:几乎所有750 - 1000种不同线粒体蛋白质的基因都位于细胞核中。这些基因编码的蛋白质在细胞质中产生，然后输入到线粒体中。
然而，呼吸链的蛋白质装置的几个子单元，其中仍发生ATP生产的最终步骤，仍然直接在线粒体中产生。这些13个蛋白的基因和遗传转录所需的TRNA分子（以及另外两个RNA分子）位于线粒体上的线粒体内部，线粒体DNA（MTDNA）。
核DNA在每个细胞中正好存在两次(一组染色体来自父亲，另一组来自母亲)，与之不同，每个细胞中大约有1000到2000个mtDNA分子。当这些mtDNA分子发生突变时会发生什么，在细胞分裂时mtDNA分子是如何分配到子细胞的，以及当卵母细胞受精并进一步发展时线粒体dna发生了什么是令人兴奋的问题，Christian Kukat等科学家和世界各地的其他研究小组正在研究这些问题。
线粒体DNA - 许多问题仍有待回答
由于双染色体(分别为杂合性或纯合性)，细胞核中的基因突变可以发生一到两次，线粒体突变理论上可以发生在0到100%之间，因为每个细胞有上千个或更多的线粒体dna拷贝。这种现象称为异质性。由线粒体DNA突变引起的许多疾病，只有当细胞中突变的线粒体DNA分子比例超过30%至80%以上的某一阈值时才会表现出来，这取决于疾病和有关组织。一般来说，不是特定组织的所有细胞都会受到影响，但会形成一组细胞马赛克，由具有正常呼吸链的细胞和呼吸链有缺陷的细胞组成。目前还不清楚不同mtDNA版本的比例是如何调控的，以及在生物体的生命周期中它是如何变化的。现在认为，某些mtDNA突变会随着时间的推移而增加，从而有助于衰老过程。
与核DNA相同的是，线粒体DNA只来自母亲——精子线粒体在卵母细胞受精后被完全消化。然而，似乎也只有一小部分的线粒体dna分子的母亲的生殖细胞转移随着卵母细胞的发育。这种所谓的瓶颈效应是线粒体遗传学中一种重要而尚未解决的现象。它可以用于筛选不良mtDNA副本，例如，不良mtDNA分子比例过大的卵母细胞就无法存活。
线粒体——不是“豆子”，而是一个动态的网络
由于电子显微镜图像中线粒体切片的出现，也许也因为它们的细菌祖先的知识，线粒体被描绘成细菌或豆子形状的物体已经有几十年了。不幸的是，这种表达方式仍然经常出现在当今的许多生物教科书中。活细胞中特异性染色线粒体的第一批图像最终证明，对于许多细胞类型来说，这种表述是不正确的。根据细胞类型和组织的不同，线粒体通常以“线粒体网络”的形式存在:细胞内的管状、分支系统，由于融合和分裂而不断变化。
视频：动态线粒体网络。从表达蛋白质mitoyfp的小鼠（与线粒体靶向序列融合的荧光蛋白）的培养胚胎成纤维细胞以20秒的间隔在共聚焦显微镜中成像11分钟（薄膜：基督教Kukat，Max Planck衰老生物学研究所）。
TFAM将线粒体DNA打包
已经知道几年时间，线粒体网络中的MTDNA分子不随机分布，但在称为“线粒体核细胞”的结构中组织，类似于细菌的情况。这些核蛋白的重要组成部分是蛋白质TFAM（线粒体转录因子A），这是多年来一直是Nils-GöranLarsson的研究组的主题。这项工作促进了今天的知识，TFAM在核中在核中对核表中的类似的任务进行了类似的，该任务与核DNA与核DNA相结合以形成核小体：几乎覆盖了MTDNA的整个长度TFAM分子，并且MTDNA弯曲成U形，因此通过与TFAM结合，将“包装”进入更紧密的空间。TFAM还发挥了进一步的作用：顾名思义，它充当转录因子，即它确保可以读取MTDNA。这里也是由于与TFAM的结合引起的MTDNA的U形弯曲是重要的。
但是，核心是如何结构的？除了TFAM和MTDNA之外还有其他组件吗？基督教Kukat，基督教Wurm和同事的新结果对回答这些问题提出了关键贡献。
图3:Christian Kukat博士在共聚焦显微镜下(徕卡TCSSP5 X）衰老的生物学MPI（照片：Wolfgang Weiss为Max Planck老化，科隆生物学研究所）。
STED显示了线粒体类核的真实大小
到目前为止，共聚焦显微镜测量的线粒体类核大小为200 ~ 300 nm。这些值在光学显微镜物理分辨率的极限范围内。260海里。因此，这种技术——以及一般的常规光学显微镜——不适合获得关于类核的结构和确切大小的更详细的信息。
由于20世纪90年代和21世纪头十年新超分辨率显微镜技术的发展，突破物理分辨率限制的障碍成为可能。使用商用显微镜配备发生的技术 （发生的:受激发射耗竭)，例如，低于50纳米的分辨率目前是可以实现的。在发明的部门发生的马克斯·普朗克生物物理化学研究所(Göttingen)的Stefan Hell教授说，通过实验装置，显微镜的分辨率达到了20纳米甚至更低。当Kukat, Wurm和他的同事们用a发生的在Göttingen的这种显微镜下，他们发现标记有抗dna抗体的类核只有平均直径100纳米发生的图片。在共聚焦显微镜中，核含有300nm的表观直径。新发现的大小在所有的所有情况下都是持续的发生的从不同类型的组织和哺乳动物中检测的所有细胞和细胞系的图像，而在共聚焦显微镜图像的分辨率限制下确定的核样大小相当大。此外，许多在常规共聚焦显微镜成像中看起来像单个类核的结构在共聚焦显微镜下被分解成两个甚至三个或更多独立的类核发生的显微镜。因此，该细胞含有比以前假设更多的核。
图4:共聚焦显微镜下的线粒体类核发生的显微镜。人成纤维细胞中抗dna抗体染色的类核在共聚焦显微镜下呈致密结构，平均直径约为300 nm，但在共聚焦显微镜下通常是数个平均直径约为100 nm的类核凝聚发生的显微镜。比例尺对应于500nm。(资料来源:Kukat等人，PNAS第108卷。33 13534-13539, 2011, www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1109263108)。
然后研究人员应用分子生物学方法以确定培养的原发性人成纤维细胞中每个细胞的MTDNA分子数，并将它们与新确定的较大数量的核含量相关。而不是每种核桃的先前发表的2至10 mTDNA分子，现在每种核桃的数量为1.45 mTDNA分子。可以从这方面汲取的结论是完全新的：大多数核心仅含有一个单一的MTDNA分子。
培养的原发性人成纤维细胞每种细胞的TFAM分子分析显示每种核瘤的约1,500分子或每MTDNA分子1,000。这些图与先前在小鼠组织中制造的群体密切相关。然后用建模技术突出与MTDNA结合的TFAM分子的三维结构，并且计算出该结构的总体积，因为当时没有获得X射线结构数据。给定核直径为100nm，然后核含有约5,000mTDNA结合的TFAM分子。因此，1,500分子测量成符合核核的体积。
线粒体遗传学研究的新目标
这些发现直接影响了类核的一般概念，正如库卡特所描述的，到目前为止，类核还具有“相当哲学的光环”。由于无法深入研究类核，研究人员认为它包含了多种用于基因调控、转录和复制的蛋白质。它们无疑存在于类核中，但不是主要成分。现在，类核很可能是mtDNA的包装和组织单位，因此，mtDNA最小的可遗传单位恰好是一个mtDNA分子，而不是2到10的数字。而新确定的100 nm以下的尺寸表明mtDNA和TFAM是主要成分。也许典型的类核物质实际上只包含一个被TFAM包裹的mtDNA分子——其他需要的蛋白质会根据需要被招募，如上述的用于转录、翻译或复制的蛋白质。
现在发现的遗传疾病最小的最小可遗传性单位的后果，其在衰老过程中的重要性，以及核心的数量和规模是否发生疾病和老化 - 这些都是进一步呼叫的所有问题研究。已定义并找到新的目标。“关于新超分辨率的显微镜技术的令人兴奋的事情是它们提供了更详细的细胞结构的图像，”Kukat说。“这发生的显微镜让我们对线粒体有了全新的认识，这自然也为新的实验提出了很多新的问题和想法。”
