Nature子刊：甘振继/邵孟乐团队发现线粒体蛋白水解重排调控细胞命运转变新机制

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线粒体是细胞代谢，天然免疫和细胞凋亡控制中心，其功能远远超出了人们传统的认知—细胞的能量工厂。线粒体广泛参与众多细胞生物学过程包括细胞的命运决定和衰老。因此，线粒体需要精细的、多层次的质量监控系统来保障其正常功能。进化上高度保守的线粒体蛋白酶是线粒体质量控制的第一道防线，然而既往的研究绝大多数集中于线粒体生物生成、分裂/融合与自噬等，对于线粒体蛋白稳态控制的作用机制和生理意义却十分不清楚。除了介导错误折叠或受损蛋白质的降解作用外，近年来研究还发现线粒体蛋白酶还通过执行高度调节的蛋白水解反应来调控线粒体功能，是线粒体可塑性调节的关键一环。人类线粒体蛋白酶的失活突变可导致多种遗传性疾病，并且在许多病理状态下（例如神经退行性疾病、代谢综合征和癌症）也观察到线粒体蛋白酶水解活性的降低。然而，人们对于线粒体蛋白稳态是否与细胞命运决定和衰老有内在关联仍然未知。2023年5月22日，南京大学甘振继课题组联合中国科学院微生物、发育与健康研究中心邵孟乐课题组在Nature Cell Biology期刊发表了题为：Proteolytic rewiring of mitochondria by LONP1 directs cell identity switching of adipocytes的研究长文。该研究发现了依赖蛋白酶LONP1的线粒体蛋白水解重排调控白色脂肪细胞的命运转变；揭示了高度调控的线粒体蛋白酶是细胞的关键感应纽带，将细胞外环境刺激、线粒体呼吸链复合物/代谢重排与白色脂肪产热重塑过程中的细胞命运重编程有机联系起来。储存能量的白色脂肪细胞向燃烧能量的米色脂肪细胞的细胞命运转变是哺乳动物免受寒冷环境中体温过低的关键机制。这一脂肪细胞命运转变能力的降低导致机体适应性产热能力减退是衰老的重要标志之一。低温或b3-肾上腺素激动剂刺激可诱导单室大脂滴形态的白色脂肪细胞进行剧烈的细胞重编程过程，转变成多室小脂滴形态的米色脂肪细胞，这一进程又被称为“米色化”或“褐脂化”，其一大特征就是线粒体数量和活性大量增加以满足细胞产热的需求。除了线粒体生物生成外，白色脂肪细胞米色化还伴随着线粒体蛋白质组的深刻变化，以满足线粒体呼吸与能量代谢激增的要求。解偶联蛋白1（UCP1）的急剧增加就是一个很好的例子，UCP1是一种线粒体内膜转运蛋白，能通过消散电化学质子梯度将细胞呼吸与ATP产生解偶联。因此，保障线粒体内蛋白质组的功能及其应对产热刺激的可塑性对于脂肪细胞的命运转变至关重要。此前，甘振继教授课题组系列研究发现了线粒体蛋白稳态控制在调节骨骼肌代谢稳态中起着至关重要的作用，并揭示了肌肉线粒体蛋白稳态应激可长程调控白色脂肪组织产热重塑（Xu et al，Nat Commun.2022；Guo et al,Sci Adv.2022）。在此研究基础上，该课题组综合应用遗传学、生物物理和生物化学等方法，进一步探究了线粒体蛋白稳态控制系统对脂肪细胞命运转变的潜在调节功能。首先，通过Mito-Timer转基因小鼠及硫醇探针Tetraphenylethene maleimide（TPE-MI），作者可视化展示并定量揭示了产热刺激可特异性增强白色脂肪细胞中依赖蛋白酶LONP1的蛋白水解动态调节规律。通过系列脂肪细胞特异性LONP1功能缺失细胞和小鼠模型，发现尽管成熟白色脂肪细胞仅含有少量的线粒体，但依赖LONP1控制的线粒体蛋白稳态是白色脂肪细胞米色化的先决条件（图1）。得益于“AdipoChaser”遗传谱系追踪系统，研究者揭示了LONP1的失活显著削弱成熟白色脂肪细胞向米色脂肪细胞的命运转变（图1）。紧接着，基于TurboID的邻近标记技术被用来寻找LONP1蛋白水解的底物。通过融合应用了定量代谢组学方法对LONP1缺陷型或野生型米色脂肪细胞进行系统代谢物比较分析，研究者发现并证明了脂肪细胞命运决定的全新机制：即LONP1通过特异性调节线粒体呼吸链复合物II关键组分SDHB的降解，来确保足够量的胞内琥珀酸水平，从而保障白色脂肪细胞向米色脂肪细胞的命运转变。进一步经过细胞生化和染色质免疫沉淀和测序分析，发现受LONP1调节的脂肪细胞内琥珀酸与α-酮戊二酸（α-KG）的比例变化引发产热基因的组蛋白甲基化状态改变，从而调控白色脂肪细胞向米色脂肪细胞转变的基因重编程。最后，研究者还发现在年老小鼠脂肪细胞中重新激活LONP1-琥珀酸通路可以恢复老年白色脂肪细胞向米色脂肪细胞转变的能力，并挽救老年小鼠适应性产热能力的下降。图1.依赖蛋白酶LONP1的线粒体蛋白降解系统控制白色脂肪细胞命运转变该研究发现了高度调控的线粒体蛋白水解重排控制细胞命运决定；拓展了人们对特异性线粒体蛋白降解及其引发线粒体呼吸链复合物/代谢重塑的重要调节功能和生理意义的认识；揭示了白色脂肪细胞内琥珀酸作为细胞命运信使新的重要功能—超越其作为线粒体氧化代谢底物的作用；提出了通过修复线粒体蛋白稳态来治疗与脂肪衰老相关的代谢紊乱的一种新策略。值得一提的是，Nature Cell Biology邀请该文的通讯作者在同期发表了题为：Mitoprotease LONP1 controls white-to-beige adipocyte conversion via metabolic enzyme turnover的Research Briefing文章，研究者针对线粒体蛋白稳态控制和线粒体代谢物调控细胞命运转变方向提出了未来研究的多个重要科学问题。Nature Cell Biology还邀请领域内专家，美国HHMI，犹他大学的Jared Rutter教授点评了该项研究成果，他认为该工作回答了线粒体蛋白酶在白色脂肪组织重塑中的作用这一悬而未决的问题。开启了靶向脂肪褐色化和能量平衡的新药物治疗可能……”。期刊资深编辑Melina Casadio博士也高度评价该项成果“Unlike the ‘textbook’ view of mitochondrial metabolism and ETC organization”，认为不同于传统“教科书”观点，该项研究揭示了细胞会通过调控线粒体ETC来适应其代谢需求。南京大学副研究员付婷婷，博士研究生孙婉平，硕士研究生薛嘉宸和博士研究生周正为论文共同第一作者，南京大学甘振继教授和中国科学院微生物、发育与健康研究中心邵孟乐研究员为论文共同通讯作者。共同作者里还有大连化物所的朴海龙教授，美国西南医学中心的Philipp E. Scherer教授，南华大学的吕斌教授，南京大学的方雷、朱敏生、陈韵聪教授等。研究得到合作实验室的大力协助与支持。