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刘兴国/田梅团队发现线粒溶酶体(mitolysosome)胞吐:帕金森症线粒体质量控制新途径

点评 | 苏国辉(暨南大学)、李巍(首都医科大学)、刘强(中国科学技术大学)、顾正龙/郭利淑(复旦大学)

 

线粒体质量控制对于线粒体稳态和功能至关重要,其失控会损伤各器官,尤其会导致大脑功能的严重损害。线粒体质量控制主要通过线粒体自噬,由自噬体吞噬受损的线粒体实现。线粒体自噬主要包括:PINK1-PARK2途径去除受损和丧失电势的线粒体 【1】,BNIP3L或FUNDC1等受体依赖的线粒体自噬 【2,3】,和ULK1/RAB9 依赖的非经典自噬 【4】。此外,损伤的线粒体可以通过迁移体介导而外泌【5】。然而,线粒体全新的质量控制途径,是亟待挖掘的基本科学问题。

帕金森症(Parkinsonism)是一种衰老相关的神经退行性综合征。线粒体,特别是PINK1-PARK2介导线粒体质量控制,是帕金森症的重要病因。药物诱发的帕金森症是仅次于原发性帕金森病的第二大帕金森症。氟桂利嗪(Flunarizine)作为一种钙离子通道抑制剂被广泛用于治疗眩晕、偏头痛、癫痫、和外周血管疾病,其诱导的帕金森症占据着很高的比重。但是有别于原发性帕金森病,药物诱导帕金森症的发病机制仍然未知,极大地制约着这类疾病的预防和治疗。

2022年4月13日, Science Advances以长文发表了中科院广州生物医药与健康研究院刘兴国课题组和浙江大学田梅课题组合作的原创性研究成果 Mitolysosome exocytosis, a mitophagy-independent mitochondrial quality control in flunarizine-induced parkinsonism-like symptoms 。该工作发现氟桂利嗪诱导线粒体功能障碍并特别减少大脑中的线粒体数目,揭示了一条独立于线粒体自噬的新途径,即线粒体直接被溶酶体吞噬形成线粒溶酶体(mitolysosome)并通过胞吐排到细胞外,继而阐明了氟桂利嗪诱发帕金森症的病理机制。该工作不仅发现帕金森症中线粒体质量控制的细胞器互作新模式,而且建立了一种基于化合物且无需基因操作制备无线粒体细胞的新方法。【6】

刘兴国/田梅团队发现线粒溶酶体(mitolysosome)胞吐:帕金森症线粒体质量控制新途径

氟桂利嗪可以导致小鼠产生类帕金森症的表型:运动协调能力下降、学习记忆能力减退等,同时病理研究发现纹状体多巴胺浓度下降。研究人员采用正电子发射断层显像和X射线断层扫描(PET-CT)表明氟桂利嗪导致脑葡萄糖摄入升高。进一步,研究人员通过系统监测多个器官组织中线粒体数目,发现氟桂利嗪导致脑线粒体总量特异下降。研究人员惊奇的发现,在人神经前体细胞中,氟桂利嗪导致线粒体数目急剧下降,3天后几乎所有的线粒体消失了!

刘兴国/田梅团队发现线粒溶酶体(mitolysosome)胞吐:帕金森症线粒体质量控制新途径

针对氟桂利嗪在体内和体外均导致线粒体消除的现象,研究人员进行了机制研究。这一线粒体消除的作用,不依赖于 ATG5 介导的经典自噬和 ULK1/RAB9 介导的非经典自噬,也不依赖于PINK1-PARK2途径和受体依赖的线粒体自噬。氟桂利嗪诱发线粒体与溶酶体通过一种直接融合的方式产生新型结构—线粒溶酶体(mitolysosome),mitolysosome随后通过VAMP2/STX4依赖囊泡形式的胞吐作用而排到细胞外,从而导致细胞中的线粒体总量下降。进一步通过基于全基因组范围CRISPR/Cas9敲除筛选确定了调控这一过程的系列基因。因为线粒体胞吐在病理生理环境中均发生,本研究发现溶酶体依赖的新型线粒体胞吐途径可能具有广泛的生理病理意义。

更重要的是,通过氟桂利嗪处理建立了产生完全去除线粒体的哺乳动物细胞的方法。这种方法与以往Richard Youle教授建立的Park2过表达结合解耦联剂处理不同,本方法只需化合物处理。研究人员在人、鼠的多种细胞尝试获得了完全不含线粒体的细胞。这种新型细胞模型有着广阔的应用前景:可以对带有线粒体DNA突变的病人细胞线粒体进行清除,结合线粒体传递技术矫正线粒体的遗传缺陷;也可以直接通过这一不含线粒体干扰的新模型研究线粒体新功能。

这一线粒体经溶酶体外泌而离开神经元,称为“离”, 而引发的个体类帕金森症运动障碍,称为“骚”,合称为“线粒体离骚”。《离骚》的作者伟大爱国者屈原离开,而引发的楚国动荡(shaking),与此可以类比。“茫茫脑海动如梭”,线粒体在神经轴突运动并提供能量。线粒体之与神经元,如同屈原之于楚国,都起到能量供给的“主沉浮”的作用。“屈子一日求索去,荆楚安得不蹉跎?”,线粒体离开神经元,个体出现岁月蹉跎的退行性表型。

刘兴国/田梅团队发现线粒溶酶体(mitolysosome)胞吐:帕金森症线粒体质量控制新途径

帕金森症中线粒溶酶体(mitolysosome)胞吐新途径

本研究的帕金森症表型部分与中山大学黎明涛教授团队合作完成,线粒体自噬部分与南开大学陈佺教授团队合作完成,并得到郑州大学等多个团队的合作。

中国科学院广州生物医药与健康研究院副研究员包飞翔为该论文第一作者,刘兴国研究员和浙江大学田梅教授(现复旦大学人类表型组研究院执行院长)为该论文的共同通讯作者。

原文链接:

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abk2376

专家点评
苏国辉 院士(暨南大学):

线粒体在中枢神经生理、衰老、损伤、再生中均发挥重要作用。以视神经为例,线粒体DNA突变或融合蛋白OPA1突变会引起视网膜节细胞特异受累,而造成视觉受损甚至失明。衰老及神经退行性疾病中,线粒体也一直被认为发挥重要作用,但是线粒体起到的具体机制和功能仍然不清楚。人们进行的神经保护和再生的努力中,线粒体作为能量代谢和信号的中心细胞器,线粒体在药物与非药物干预中的作用也亟待研究。

刘兴国等的工作发现药物诱发神经退行性疾病中脑这一器官发生特异的线粒体消除,并发现线粒体被溶酶体直接吞噬而外泌到神经细胞外的新途径。这一发现独立于大家已知的帕金森症中PINK1-PARK2介导的线粒体自噬,具有很好的创新性。这些工作为神经退行性疾病提供新的病理机制和治疗靶点。

同时,这一线粒溶酶体(mitolysosome)模式的发现是线粒体损伤引发神经病变研究的良好范例。对于神经保护和再生,线粒体如何在亚细胞水平、细胞间起作用,如何在药物和非药物干预中应答,都值得深入研究。

专家点评
李巍 教授(首都医科大学附属北京儿童医院):

活细胞内各种细胞器处于不断的动态变化,其中涉及到细胞器之间的相互作用甚至相互融合与分裂,以完成物质的交换、运输、降解和清除等,维持细胞的稳态或者应对细胞内外的应激反应。成熟的体细胞大多富含线粒体,其数量和质量控制机制决定细胞的功能、命运或存活与死亡。从细胞器互作网络来看,线粒体是该互作网络的一个重要节点(hub),与线粒体本身和其它细胞器如内质网、溶酶体、脂滴和一些特殊类型细胞中的特化细胞器存在紧密型物理接触,并由特殊的分子机器来介导这类细胞器之间的接触,完成某些物质的交换,在细胞器稳态维持中发挥重要作用,也是真核细胞中某些分子跨越分区化的细胞器的物理屏障,在不同细胞器发挥功能的原因。特殊情况下,这些物理接触可能直接导致细胞器之间的同型(homotypic)或者异型(heterotypic)融合,参与细胞器发生或形成一种杂合细胞器,发挥特定的生理功能。

刘兴国研究员和田梅教授等课题组合作,最新发表在Science Advances的研究成果中,通过探讨一种钙离子通道抑制剂氟桂利嗪(Flunarizine, FNZ)的诱发帕金森样病的作用机制中,意外地发现FNZ可使神经元和胶质细胞的线粒体数目明显减少,并观察到一种由溶酶体和线粒体融合产生的杂合型细胞器,被称为mitolysosome的出现,后者通过VAMP2-STX4介导胞吐,实现对线粒体的清除。这是已经发现的经典自噬、线粒体自噬、非经典自噬性分泌、迁移体介导的线粒体清除等多种线粒体清除方式中,又一新的线粒体稳态控制的新途径,并对FNZ诱发的帕金森样病的发病机制有更深入的了解,为其干预提供了新的思路,也为研究mitolysosome的形成和分泌的调控机制提供了新的研究方向。

专家点评
刘强 教授(中国科学技术大学):

衰老及神经退行性疾病发生中的细胞器稳态和细胞代谢的调控一直是非常重要但尚不清楚的科学问题。刘兴国等的最新研究成果在解决这一科学问题上做出了创新性的发现。该工作提出了药物诱发神经退行性疾病的脑特异线粒体消除的新表型,和线粒体经溶酶体胞吐的新概念。这些发现为神经退行性疾病诊断、治疗提供新的理论指导和实践依据。

该工作阐明了线粒体、溶酶体等细胞器功能失调如何引发帕金森症状。线粒体作为能量代谢调控的核心细胞器,在神经细胞的生理功能中发挥了重要的调控作用。线粒体功能失调是帕金森症、阿尔茨海默症等疾病的重要病因。PINK1-PARK2介导的线粒体-自噬体互作在帕金森症中的作用,已经发展为一个重要领域。本文的发现则不落窠臼,提出独立于线粒体自噬外的线粒体溶酶体互作新途径,并阐明了这一全新线粒体质量控制参与调控帕金森症。

线粒体胞吐是最近被报道的在细胞间互作的新型方式,在生理病理环境中均有发现。例如在脑内,神经元和星形胶质细胞可以释放线粒体,以便在体内循环和转移。本研究中鉴定的溶酶体相关的新型线粒体胞吐机制可能在基础条件下和病理条件中的线粒体质量控制中发挥广泛作用。

专家点评
顾正龙/郭利淑 教授(粤港澳大湾区精准医学研究院(广州)、复旦大学):

在长期的内共生中,线粒体演变进化形成了多种质量控制系统,以便与其他细胞器进行交流并参与决定了诸多细胞功能。线粒体通过氧化磷酸化产生ATP,同时也是活性氧(ROS)产生的主要场所。线粒体通透性转换孔(PTP)的开放参与细胞内ROS/钙稳态和细胞死亡,调控细胞代谢、干细胞命运、线粒体自噬和疾病发生。线粒体质量控制通过多种途径包括蛋白质稳态、生物合成、动力学、线粒体自噬来维持线粒体稳态和功能。线粒体是动物中唯一有自己遗传物质的细胞器(mtDNA)。大部分mtDNA区域编码重要功能,同时mtDNA突变率很高,从而影响线粒体功能。线粒体自噬选择性清除受损或者多余的线粒体,保留必要数量的正常功能线粒体,主要途径为PINK1-Parkin通路、Parkin非依赖途径以及受体如FUNDC1和PHB2等。最新研究表明通过迁移体将线粒体释放出去的Mitocytosis过程是一种新的线粒体质量控制机制。那么,是否存在其他途径参与清除线粒体和质量控制?

线粒体稳态和功能的破坏在神经退行性疾病的发生发展中起着重要作用。线粒体功能失调是帕金森症的一个共同特征,伴随着呼吸链的损伤、ROS含量升高、mtDNA突变、线粒体形态学改变等。帕金森症还表现为显著减少的线粒体自噬,PINK1和Parkin的功能性突变导致早发性帕金森病。最新的研究表明大量的帕金森症患者呈现外周线粒体和溶酶体功能障碍,且与家族性疾病中观察到的表型重叠。因此,深入研究线粒体功能失调和自噬的分子机制,探索新的线粒体质量控制途径,将会为帕金森症的治疗提供新的机会。

刘兴国、田梅等团队在Science Advances合作发表了题为 Mitolysosome exocytosis, a mitophagy-independent mitochondrial quality control in flunarizine-induced parkinsonism-like symptoms 的研究长文。该研究报道了一种全新的线粒体消除机制,即线粒体与溶酶体融合形成一种新型结构-线粒溶酶体(mitolysosome)并通过胞吐作用而排到细胞外的新途径。长期服用氟桂利嗪会诱导帕金森症,但是发病机制仍不清楚。他们发现氟桂利嗪能够诱导线粒体功能失调并显著减少线粒体数量,该作用机制不同于经典的和非经典的自噬途径,而是通过溶酶体关联的胞外分泌机制。

该研究工作进一步拓展了对线粒体质量控制的调控机制的认识;揭示了细胞器互作对线粒体稳态和功能的作用;阐明了溶酶体吞噬线粒体并胞吐到细胞外,从而导致线粒体总量减少的分子机制;发现了氟桂利嗪处理能够清除线粒体,这为构建不含线粒体的细胞模型提供了新的方法,为探索是否线粒体功能依赖的研究提供了便捷的模型,此外,为通过清除突变的mtDNA后替换正常的mtDNA进行疾病的治疗提供了重要策略。

参考文献

1, D. Narendra, A. Tanaka, D. F. Suen, R. J. Youle, Parkin is recruited selectively to impaired mitochondria and promotes their autophagy. J. Cell Biol. 183, 795-803 (2008).

2, L. Liu, D. Feng, G. Chen, M. Chen, Q. X. Zheng, P. P. Song, Q. Ma, C. Z. Zhu, R. Wang, W. J. Qi, L. Huang, P. Xue, B. W. Li, X. H. Wang, H. J. Jin, J. Wang, F. Q. Yang, P. S. Liu, Y. S. Zhu, S. F. Sui, Q. Chen, Mitochondrial outer-membrane protein FUNDC1 mediates hypoxia-induced mitophagy in mammalian cells. Nat. Cell Biol. 14, 177-185 (2012).

3, G. Xiang, L. Yang, Q. Long, K. Chen, H. Tang, Y. Wu, Z. Liu, Y. Zhou, J. Qi, L. Zheng, W. Liu, Z. Ying, W. Fan, H. Shi, H. Li, X. Lin, M. Gao, J. Liu, F. Bao, L. Li, L. Duan, M. Li, X. Liu, BNIP3L-dependent mitophagy accounts for mitochondrial clearance during 3 factors-induced somatic cell reprogramming, Autophagy, 2017, 13(9):1543-1555.

4, S. Honda, S. Arakawa, Y. Nishida, H. Yamaguchi, E. Ishii, S. Shimizu, Ulk1-mediated Atg5-independent macroautophagy mediates elimination of mitochondria from embryonic reticulocytes. Nature Communications 5,  (2014).

5, H. Jiao, D. Jiang, X. Hu, Y.-H. Wei, X. Hu, L. Yu, Mitocytosis, a migrasome-mediated mitochondrial quality-control process. Cell 184, 2896 - 2910.e2813 (2021).

6, F. Bao, L. Zhou, R. Zhou, Q. Huang, J. Chen, S. Zeng, Y. Wu, L. Yang,  S. Qian, M. Wang, X. He, S. Liang, J. Qi, G. Xiang, Q. Long, J. Guo, Z. Ying, Y. Zhou,  Q. Zhao, J. Zhang, D. Zhang, W. Sun, M. Gao, H. Wu, Y. Zhao, J. Nie, M. Li, Q. Chen, J. Chen, X. Zhang, G. Pan, H. Zhang, M. Li,  M. Tian, X. Liu, Mitolysosome exocytosis, a mitophagy-independent mitochondrial quality control in flunarizine-induced parkinsonism-like symptoms. Science Advances, online.

发布者:木木夕,转转请注明出处:https://www.cells88.com/linchuang/lcyj/12161.html

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