2021年3月3日，北京生命科學(xué)研究所/清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)交叉研究院蔣輝實驗室在《EMBO Reports》在線發(fā)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(xì)胞為模型，揭示了線粒體氧化磷酸化缺陷情況下，細(xì)胞啟動適應(yīng)性反應(yīng)維持線粒體膜電位的分子機(jī)制。

線粒體是細(xì)胞的能量供應(yīng)和代謝中樞。線粒體呼吸鏈通過電子傳遞在線粒體內(nèi)膜兩側(cè)建立起膜電位(ΔΨm)。線粒體膜電位執(zhí)行諸多重要功能，包括驅(qū)動ATP合成，幫助線粒體前體蛋白和部分代謝物的跨內(nèi)膜轉(zhuǎn)運(yùn)等。線粒體最核心的功能之一是合成鐵硫簇(iron-sulfur cluster)—一種細(xì)胞必不可少的輔酶。鐵硫簇在線粒體基質(zhì)合成，供應(yīng)給線粒體，細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核內(nèi)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(huán)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(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)線粒體基質(zhì)。因此，線粒體膜電位的維持對于細(xì)胞的存活和增值至關(guān)重要。

領(lǐng)域內(nèi)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(jī)制從酵母到哺乳動物細(xì)胞都高度保守。線粒體呼吸鏈缺失同時激活細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)(mitochondrial stress response)，但應(yīng)激反應(yīng)是否參與膜電位維持并不清楚。蔣輝實驗室構(gòu)建了缺失呼吸鏈復(fù)合物Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ和線粒體DNA(?0)的酵母株系，發(fā)現(xiàn)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(fù)合物Ⅲ/Ⅳ>缺失復(fù)合物Ⅴ>?0)。研究人員對這些突變體的轉(zhuǎn)錄組和線粒體蛋白質(zhì)組進(jìn)行了全面分析，發(fā)現(xiàn)伴隨著線粒體膜電位的逐漸降低，細(xì)胞會啟動越來越多的適應(yīng)性反應(yīng)：(1)所有突變體都下調(diào)轉(zhuǎn)錄因子Hap4的翻譯效率，進(jìn)而下調(diào)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(yán)重下降的缺失復(fù)合物Ⅴ和?0突變體中，細(xì)胞激活A(yù)MPK/Snf1，從而上調(diào)糖酵解基因，同時抑制細(xì)胞質(zhì)核糖體生成。該變化加強(qiáng)細(xì)胞內(nèi)ATP供應(yīng)，同時減少ATP消耗，從而增強(qiáng)了線粒體的ATP供應(yīng)；(3)同樣在缺失復(fù)合物Ⅴ和P0突變體中，細(xì)胞高磷酸化mRNA結(jié)合蛋白Puf3，上調(diào)其結(jié)合的數(shù)百條編碼線粒體蛋白的mRNA，從而促進(jìn)線粒體生成(biogenesis)。在Puf3的數(shù)以百計的底物中，線粒體膜間隙蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)受體Mia40的上調(diào)最為關(guān)鍵。抑制這些反應(yīng)，例如阻斷Inh1下調(diào)，?0突變體無法維持膜電位和鐵硫簇的合成，導(dǎo)致細(xì)胞生長停滯和死亡。綜合而言，細(xì)胞在氧化磷酸化缺失情況下啟動線粒體內(nèi)外的適應(yīng)性反應(yīng)，以維持線粒體膜電位、鐵硫簇的合成和細(xì)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(dǎo)致氧化磷酸化缺陷。這些疾病的發(fā)生往往伴隨著線粒體膜電位的降低。鑒于酵母細(xì)胞維持線粒體膜電位機(jī)制的效應(yīng)蛋白高度保守，本研究對線粒體疾病的致病機(jī)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(zhì)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(xué)研究所完成。
論文鏈接: https://www.embopress.org/doi/full/10.15252/embr.202051606

來源：NIBS