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科研進展

EMBO Reports | 蔣輝實驗室發現線粒體應激反應維持線粒體膜電位并解析其分子機制

發布時間:2021/03/19

2021年3月3日,北京生命科學研究所/清華大學生物醫學交叉研究院蔣輝實驗室在《EMBO Reports》在線發表了題為“OXPHOS deficiency activates global adaptation pathways to maintain mitochondrial membrane potential”的研究論文。該論文以酵母細胞為模型,揭示了線粒體氧化磷酸化缺陷情況下,細胞啟動適應性反應維持線粒體膜電位的分子機制。


線粒體是細胞的能量供應和代謝中樞。線粒體呼吸鏈通過電子傳遞在線粒體內膜兩側建立起膜電位(ΔΨm)。線粒體膜電位執行諸多重要功能,包括驅動ATP合成,幫助線粒體前體蛋白和部分代謝物的跨內膜轉運等。線粒體最核心的功能之一是合成鐵硫簇(iron-sulfur cluster)—一種細胞必不可少的輔酶。鐵硫簇在線粒體基質合成,供應給線粒體,細胞質和細胞核內的鐵硫蛋白作為輔酶;這些鐵硫蛋白包括DNA聚合酶、核糖體循環因子等看家酶(housekeeping enzymes)。鐵硫簇合成通路蛋白和原料亞鐵離子依賴膜電位轉運進線粒體基質。因此,線粒體膜電位的維持對于細胞的存活和增值至關重要。


領域內過去的研究表明呼吸鏈缺失的線粒體通過水解ATP(來自糖酵解)來維持膜電位。該機制從酵母到哺乳動物細胞都高度保守。線粒體呼吸鏈缺失同時激活細胞應激反應(mitochondrial stress response),但應激反應是否參與膜電位維持并不清楚。蔣輝實驗室構建了缺失呼吸鏈復合物Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ和線粒體DNA(?0)的酵母株系,發現這些氧化磷酸化突變體的線粒體膜電位逐漸降低(WT>缺失復合物Ⅲ/Ⅳ>缺失復合物Ⅴ>?0)。研究人員對這些突變體的轉錄組和線粒體蛋白質組進行了全面分析,發現伴隨著線粒體膜電位的逐漸降低,細胞會啟動越來越多的適應性反應:(1)所有突變體都下調轉錄因子Hap4的翻譯效率,進而下調Hap4下游基因Inh1(線粒體ATP合酶抑制蛋白),從而釋放線粒體水解ATP的能力;(2)在線粒體膜電位嚴重下降的缺失復合物Ⅴ和?0突變體中,細胞激活AMPK/Snf1,從而上調糖酵解基因,同時抑制細胞質核糖體生成。該變化加強細胞內ATP供應,同時減少ATP消耗,從而增強了線粒體的ATP供應;(3)同樣在缺失復合物Ⅴ和P0突變體中,細胞高磷酸化mRNA結合蛋白Puf3,上調其結合的數百條編碼線粒體蛋白的mRNA,從而促進線粒體生成(biogenesis)。在Puf3的數以百計的底物中,線粒體膜間隙蛋白轉運受體Mia40的上調最為關鍵。抑制這些反應,例如阻斷Inh1下調,?0突變體無法維持膜電位和鐵硫簇的合成,導致細胞生長停滯和死亡。綜合而言,細胞在氧化磷酸化缺失情況下啟動線粒體內外的適應性反應,以維持線粒體膜電位、鐵硫簇的合成和細胞的存活與增值。


在人類線粒體疾病中,超過150個致病基因突變后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。

蔣輝實驗室的劉思琪是第一作者,蔣輝博士為通訊作者。論文的其他作者包括蔣輝實驗室的劉珊珊、何白羽、李蘭蘭博士,蛋白質組中心的李琳博士、陳涉博士,以及核酸測序中心的王家文博士、蔡濤博士。該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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