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EMBO Reports | 蒋辉實驗室发现线粒体应激反应维持线粒体膜电位并解析其分子机制

發布時間:2021/03/19

2021年3月3日,北京生命科學研究所/清华大学生物医学交叉研究院蒋辉實驗室在《EMBO Reports》在线发表了题为“OXPHOS deficiency activates global adaptation pathways to maintain mitochondrial membrane potential”的研究论文。该论文以酵母细胞为模型,揭示了线粒体氧化磷酸化缺陷情况下,细胞启动适应性反应维持线粒体膜电位的分子机制。


线粒体是细胞的能量供应和代谢中枢。线粒体呼吸链通过电子传递在线粒体内膜两侧建立起膜电位(ΔΨm)。线粒体膜电位执行诸多重要功能,包括驱动ATP合成,帮助线粒体前体蛋白和部分代谢物的跨内膜转运等。线粒体最核心的功能之一是合成铁硫簇(iron-sulfur cluster)—一种细胞必不可少的辅酶。铁硫簇在线粒体基质合成,供应给线粒体,细胞质和细胞核内的铁硫蛋白作为辅酶;这些铁硫蛋白包括DNA聚合酶、核糖体循环因子等看家酶(housekeeping enzymes)。铁硫簇合成通路蛋白和原料亚铁离子依赖膜电位转运进线粒体基质。因此,线粒体膜电位的维持对于细胞的存活和增值至关重要。


领域内过去的研究表明呼吸链缺失的线粒体通过水解ATP(来自糖酵解)来维持膜电位。该机制从酵母到哺乳动物细胞都高度保守。线粒体呼吸链缺失同时激活细胞应激反应(mitochondrial stress response),但应激反应是否参与膜电位维持并不清楚。蒋辉實驗室构建了缺失呼吸链复合物Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ和线粒体DNA(?0)的酵母株系,发现这些氧化磷酸化突变体的线粒体膜电位逐渐降低(WT>缺失复合物Ⅲ/Ⅳ>缺失复合物Ⅴ>?0)。研究人员对这些突变体的转录组和线粒体蛋白质组进行了全面分析,发现伴随着线粒体膜电位的逐渐降低,细胞会启动越来越多的适应性反应:(1)所有突变体都下调转录因子Hap4的翻译效率,进而下调Hap4下游基因Inh1(线粒体ATP合酶抑制蛋白),从而释放线粒体水解ATP的能力;(2)在线粒体膜电位严重下降的缺失复合物Ⅴ和?0突变体中,细胞激活AMPK/Snf1,从而上调糖酵解基因,同时抑制细胞质核糖体生成。该变化加强细胞内ATP供应,同时减少ATP消耗,从而增强了线粒体的ATP供应;(3)同样在缺失复合物Ⅴ和P0突变体中,细胞高磷酸化mRNA结合蛋白Puf3,上调其结合的数百条编码线粒体蛋白的mRNA,从而促进线粒体生成(biogenesis)。在Puf3的数以百计的底物中,线粒体膜间隙蛋白转运受体Mia40的上调最为关键。抑制这些反应,例如阻断Inh1下调,?0突变体无法维持膜电位和铁硫簇的合成,导致细胞生长停滞和死亡。综合而言,细胞在氧化磷酸化缺失情况下启动线粒体内外的适应性反应,以维持线粒体膜电位、铁硫簇的合成和细胞的存活与增值。


在人類線粒體疾病中,超過150個致病基因突變後導致氧化磷酸化缺陷。這些疾病的發生往往伴隨著線粒體膜電位的降低。鑒于酵母細胞維持線粒體膜電位機制的效應蛋白高度保守,本研究對線粒體疾病的致病機理和治療思路具有一定參考價值。

蒋辉實驗室的刘思琪是第一作者,蒋辉博士为通讯作者。论文的其他作者包括蒋辉實驗室的刘珊珊、何白羽、李兰兰博士,蛋白质组中心的李琳博士、陈涉博士,以及核酸测序中心的王家文博士、蔡涛博士。该研究在北京生命科學研究所完成。
論文鏈接: https://www.embopress.org/doi/full/10.15252/embr.202051606



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