王义平博士《Cell Metabolism》报道细胞代谢调控线粒体自身生物合成机制

发表时间:2021-04-03  |  阅读次数:11次  |  字体大小 [ ]

 线粒体是细胞内一类非常重要的细胞器,具有独立于细胞核的遗传物质(mtDNA)及相应的基因转录和蛋白翻译系统。与此同时,线粒体也是细胞代谢的重要区室,因其在能量代谢中的重要作用被称为“细胞的能量工厂”。线粒体代谢和生物合成异常在肿瘤、心血管疾病、神经退行性疾病、衰老等疾病的进程中具有关键的调控作用。线粒体量在细胞内被动态调节,并与细胞的代谢状态密切相关。目前对细胞如何感知营养状态调控核编码线粒体基因的表达已有较多认识,并鉴定出了以PGC1a和NRF2为代表的多个核转录调控因子。线粒体基因组编码13个蛋白(均为电子传递链组分)、2个核糖体RNA(rRNA)和22个转运RNA(tRNA)。线粒体如何根据自身代谢状态调控线粒体基因组编码基因的表达及相应的生物合成过程并未完全清楚。

 线粒体代谢在细胞代谢网络中处于核心位置,三羧酸循环、氧化磷酸化、脂肪酸氧化、核苷酸合成、氨基酸代谢等均发生于线粒体。因此,线粒体是否可以感知自身代谢通路中特定代谢物的水平进而获知代谢状态并相应调控线粒体基因组依赖的生物合成,也就成为了非常有趣的生物学问题。另一方面,线粒体代谢不仅影响细胞代谢本身,也会通过调控表观遗传修饰和细胞信号转导参与肿瘤等多种疾病的发生发展。因此认识线粒体生物合成的代谢调控过程具有重要的临床意义。

 以往的研究提示线粒体生物合成与其代谢状态是高度协调的。例如,美国德克萨斯大学达拉斯西南医学中心的Ronald A. Butow教授曾在2005的Science杂志报道,酵母细胞中三羧酸循环代谢酶顺乌头酸酶ACO1可结合线粒体DNA并维持其稳定性 。2018年美国普林斯顿大学化学系Joshua D. Rabinowitz教授和纽约大学医学院Richard Possemato教授分别在NatureMolecular Cell杂志发表文章,报道了丝氨酸分解代谢中的丝氨酸羟甲基转移酶2(SHMT2)可通过调控一碳单位代谢影响线粒体tRNA的甲基化和成熟过程,进而影响tRNA在线粒体蛋白翻译中的功能,调节蛋白合成速率 。这些工作充分表明线粒体代谢与其自身生物合成具有密切的相关性。但是线粒体是否可以主动感知自身代谢状态进而调节生物合成速率仍未完全清楚。

 我院青年研究员王义平前期研究发现了细胞核中调控线粒体生物合成的代谢感知通路:细胞通过AMPK能量感受器调控蛋白精氨酸甲基化酶PRMT6介导的SIRT7甲基化,组蛋白去乙酰化酶SIRT7被甲基化后活性降低,导致组蛋白H3K18乙酰化水平升高,进而特异性的促进细胞核中编码线粒体核糖体基因的表达。在哈佛大学David Scadden实验室交流学习期间,王义平博士对线粒体如何感知代谢状态调控生物合成展开了研究。2021年3月25日,相关工作以“Malic enzyme 2 connects the Krebs cycle intermediate fumarate to mitochondrial biogenesis”为题发表在Cell Metabolism杂志上。


急性髓性白血病(AML)是一类高致死率的血液肿瘤。与正常外周血细胞相比,AML细胞具有更多的线粒体且高度依赖线粒体呼吸 。因此AML细胞是研究线粒体生物合成的绝佳模型。研究团队首先通过代谢物文库筛选发现,三羧酸循环代谢中间产物延胡索酸处理细胞后会导致AML细胞线粒体量明显上升。体内实验发现延胡索酸可以在多个器官中提高线粒体DNA的水平,并提高骨髓细胞的呼吸速率。进一步通过shRNA文库筛选转导延胡索酸信号的蛋白,发现敲低线粒体代谢酶苹果酸酶ME2后延胡索酸不能上调线粒体的量,提示ME2感知并转导延胡索酸信号。13C标记延胡索酸示踪实验表明,ME2的催化活力在AML细胞代谢中功能并不显著,因此推测ME2并不主要作为代谢酶而是作为延胡索酸信号转导蛋白发挥作用。进一步工作发现,延胡索酸可促进ME2由单体向二聚体转变。ME2二聚体可以结合并激活线粒体内脱氧尿嘧啶三磷酸核苷水解酶(DUT),促进嘧啶合成从而上调mtDNA。另一方面,由于线粒体基因组编码的蛋白均定位于线粒体内膜,在电子传递链中发挥功能,因此线粒体核糖体必须通过MRPL45蛋白锚定在线粒体内膜以保证蛋白合成后的正确定位 。研究发现ME2单体可与MRPL45结合,进而阻碍其与线粒体内膜的结合,从而破坏线粒体核糖体的正确组装和蛋白合成。延胡索酸介导ME2聚合从而解除这种抑制作用,促进线粒体蛋白的合成和表达。进一步的研究表明,ME2的延胡索酸结合位点受精氨酸甲基化修饰。蛋白精氨酸甲基化酶PRMT1可甲基化ME2,抑制ME2对延胡索酸的识别和ME2聚合,从而抑制线粒体生物合成。在人源化的AML动物(NSG)模型和临床白血病样本中实验发现,ME2介导的延胡索酸信号转导能够维持白血病细胞的恶性增殖,且在临床样本中处于激活状态。值得注意的是,在多种实体瘤细胞系中也发现延胡索酸以依赖ME2的方式上调mtDNA水平。这些证据充分说明延胡索酸介导的线粒体生物合成在白血病等肿瘤的发生发展中具有重要作用 。干预延胡索酸信号转导可能产生新的抑癌靶点和策略。

 王义平博士为该论文的第一作者,哈佛大学David Scadden教授为通讯作者,复旦大学生物医学研究院和附属肿瘤医院为合作单位。项目得到了复旦大学雷群英教授的指导和大力支持,中国人民解放军陆军军医大学西南医院副主任医师徐双年博士为项目开展提供了重要支持。项目同时得到了上海交通大学医学院蔡蓉教授和美国希望之城国家医疗中心Yanzhong Yang教授的帮助。哈佛大学质谱中心、复旦大学-上海市重大疾病蛋白质组研究专业技术服务平台和上海交通大学医学院基础医学公共技术平台为该工作提供了技术支撑。

原文链接:https://doi.org/10.1016/j.cmet.2021.03.003


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