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文献解析|线粒体功能新探:开启微观世界的新认知

168 人阅读发布时间:2025-02-14 14:44

线粒体

Endosomal lipid signaling reshapes the endoplasmic  reticulum to control mitochondrial function(内体脂质信号重塑内质网以控制线粒体功能)

技术资料图片1

摘要: 细胞对营养供应变化的响应与多种人类疾病相关,而其中保护细胞免受饥饿损伤的适应性变化在细胞层面的协调机制不明。本研究聚焦于 MTM1 介导的核内体 PI (3) P 信号通路,通过对 XLCNM 患者成肌细胞及工程细胞系的研究发现,营养饥饿可诱导内体募集 MTM1 使 PI (3) P 水解,同时引发内质网膜形态转变,且内质网 - 内体接触由特定蛋白与 PI (3) P 结合介导,该过程影响线粒体形态与功能,进而揭示了此信号通路在协调细胞对营养供应改变的适应性反应中的关键作用,且独立于自噬机制,类似细胞器传送带模式,但细胞营养状态对 PI (3) P 水平和 MTM1 功能的调控仍待明确,MTM1 功能缺失引发的一系列细胞异常或为 XLCNM 疾病基础。
一、引言
细胞的正常运作依赖于对营养供应的精准响应。一旦营养供应发生改变,新陈代谢的重新布线若出现缺陷,便与糖尿病、肌肉萎缩等多种人类疾病紧密相连。在饥饿状态下,细胞会抑制合成代谢途径,转而促进如自噬以及内溶酶体降解大分子等分解代谢途径。与此同时,线粒体中的脂肪酸 β 氧化会被促进,从而产生三磷酸腺苷(ATP)以维持细胞能量需求。在细胞内部,溶酶体、线粒体等细胞器在形状与动力学方面均会产生变化,而这些过程主要受肌醇磷脂调节。并且,磷脂还在细胞器之间膜接触的构建以及细胞和组织针对生长与营养信号的反应过程中扮演重要角色。然而,在细胞范围内,保护哺乳动物细胞和组织免受饥饿诱导损伤的适应性变化究竟是如何协同运作的,至今仍未明晰。
二、理论基础
内溶酶体的膜动力学及其功能受磷脂酰肌醇信号脂质的调控,其中最为突出的便是磷脂酰肌醇 3 - 磷酸 [PI (3) P] 的合成与运转过程。在携带脂质磷酸酶 MTM1 基因突变的患者身上,会出现 X 连锁中央核肌病 (XLCNM) 这种严重的神经肌肉疾病,其主要特征表现为肌肉萎缩、线粒体功能紊乱以及肌肉内质网 (ER) 组织存在缺陷。MTM1 作为一种能够介导核内体 PI (3) P 转换的酶,鉴于 PI (3) P 是核内体的重要标志,我们推测 MTM1 对早期核内体 PI (3) P 的调控作用,极有可能在细胞应对营养供应改变时,对协调内质网和线粒体动态的适应性变化起到关键作用。
三、结果
(一)营养饥饿引发的变化
借助对 XLCNM 患者来源的成肌细胞和工程细胞系展开研究,我们观察到在营养饥饿(例如氨基酸缺乏)的情况下,会通过内体募集 MTM1 的方式诱导 PI (3) P 发生水解反应。与此同时,运用实时超分辨率光学显微镜能够观察到管状内质网膜逐渐转化为内质网片的现象。
(二)内质网 - 内体接触机制
从机制层面来看,在饥饿之后,早期核内体 PI (3) P 的缺失会致使外周 ER 小管与早期核内体之间的膜接触减少。这些膜接触实际上起着物理栓系的作用,能够将拉力从处于高度运动状态的外周核内体传递至管状 ER。通过邻近标记蛋白质组学以及功能细胞生物学实验,我们证实了内质网 - 内体接触是由内质网膜相关蛋白 RRBP1 和 kinectin 1 与内体上的 PI (3) P 相互结合所介导的。
(三)对线粒体的影响
为深入探究饥饿诱导的管状内质网膜成片重塑对线粒体形态和功能所产生的影响,我们采用了实时成像技术,并结合三维聚焦离子束研磨扫描电子显微镜 (FIB - SEM) 以及蛋白质组学分析手段。研究结果显示,饥饿会借助 MTM1 诱导的内质网重塑降低线粒体分裂的速率,并且促进过度灌注的线粒体网络的形成。不仅如此,通过基因操作促使 ER 膜片扩张,即便在正常喂养的细胞当中,同样会导致线粒体网络的扩大。与之相反,在饥饿状态下的 XLCNM 患者的成肌细胞中,我们发现 ER 重塑受到损害,并且线粒体网络的形成也明显减少。而线粒体网络的形成对于脂肪酸从脂滴转运至线粒体以及氧化 ATP 生成(以此维持营养缺乏细胞的能量供应)具有极为关键的意义。
四、结论
综合我们的研究数据可以发现,早期内体脂质信号在调控内质网形态方面发挥着关键作用,进而对线粒体的形式与功能产生影响,以此来协调细胞针对营养(如氨基酸)供应改变所做出的适应性反应。值得注意的是,这一机制与自噬(一种通常在长期饥饿状态下诱导产生的细胞自我吞噬过程)相互独立,其运作模式类似于一个细胞器传送带。在这个过程中,管状 ER 扮演着膜导管的角色,负责将由营养触发的内体 PI (3) P 水平变化传递给代谢细胞器,从而达成代谢重组的目的。不过,目前细胞内早期 PI (3) P 水平以及 MTM1 功能究竟是如何受到细胞营养状态控制的,仍然有待进一步深入探究。MTM1 功能缺失所导致的 ER 形态缺陷、线粒体形态发生异常以及细胞 ATP 耗竭等现象,能够很好地解释在 XLCNM 动物模型以及经常出现营养不良的人类患者中所观察到的肌纤维萎缩和 ER 组织缺陷等情况。基于此,我们提出这样的假设:细胞器重塑失调或许正是由 MTM1 突变所引发的人类 XLCNM 疾病的根本原因所在。
 
技术资料图片2
 
 

 

名称 货号 规格
线粒体膜电位检测试剂盒(JC-10) abs50017-100T 100T
线粒体通透性转换孔(MPTP)检测试剂盒 abs50064-50T 50T
线粒体呼吸链复合体Ⅳ活性检测试剂盒(微量法) abs580241-96T 96T
人线粒体能量代谢plus PCR Array Panel LXPH081 84 gene
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