Nat Cell Biol | 脂质动员可驱动线粒体应激后的功能恢复
Nat Cell Biol | 脂质动员可驱动线粒体应激后的功能恢复
线粒体作为细胞代谢、生物合成和信号传导的核心，即便轻微的功能障碍也可能对细胞稳态带来深远影响。目前，已有超过400种基因突变被证明与原发性线粒体疾病相关，发病率约为1/2000-1/5000。此外，帕金森病、肌萎缩侧索硬化症和阿尔茨海默病等疾病也通常伴随继发性线粒体功能障碍【1】。理解细胞如何克服线粒体应激并恢复正常功能，对于开发相关疾病的治疗策略和干预手段 （例如通过调控线粒体功能而诱导癌细胞凋亡） 意义重大。
在应激或压力条件下，细胞通过多种机制恢复线粒体功能。早期研究发现，酿酒酵母线粒体DNA丢失引发的逆行信号通路 (retrograde signaling pathway) 可通过调控核基因表达，恢复关键代谢功能并延长寿命【2】。后续对哺乳动物细胞和秀丽隐杆线虫的研究揭示了线粒体未折叠蛋白反应及相关基因表达的变化能够影响线粒体功能【3】。此外，细胞还能通过线粒体碎片化、超融合等形态变化增强抗压和恢复能力。
尽管这些研究为理解线粒体应激反应奠定了基础，但相关研究往往采用极端应激模型，这可能忽视了应激适应产生过程中的细微反应。另一方面，之前研究多集中于蛋白质和基因，较少关注脂质及代谢产物在其中发挥的作用【4】。多组学质谱分析手段近年来蓬勃发展，能够同步测量蛋白质、脂质和代谢产物的细微变化【5】，这为多维度解析线粒体应激反应与恢复机制提供了有力工具。
近日，华盛顿大学David J. Pagliarini实验室等在Nature Cell Biology杂志发表了题为Triacylglycerol mobilization underpins mitochondrial stress recovery的研究文章，通过多组学质谱等手段解析了不同程度的线粒体蛋白稳态扰动（perturbations）对酿酒酵母和哺乳动物细胞的影响，揭示了三酰甘油（TAG）储备动员，并通过TAG脂肪酶（Tgl3-5p）释放脂酰基而合成心磷脂，是应激后细胞恢复线粒体功能的关键。
作者首先通过基因点突变、基因过表达及药物干预构建了14种酿酒酵母菌株模型，并根据生长状态将其分为四组。多组学质谱分析显示，第3组菌株尽管表现出严重的生长缺陷，却通过增强线粒体生物发生和上调OXPHOS蛋白水平实现了线粒体功能的恢复。而第4组菌株（ssc1）尽管也激活了线粒体缺陷应答，但线粒体功能未恢复，这可能与修复通路的失活有关。此外，所有菌株均未显著激活逆行压力应答标志物，这可能与所用模型的特性相关。作者推测第3组菌株对线粒体应激反应的成功应答可能包含新的调控机制。
进一步分析发现，第3组菌株的TAG水平显著下降，而第4组脆弱菌株的TAG水平几乎未受影响。同位素示踪实验表明，TAG的减少源于脂肪动员增加，其释放的脂酰基优先用于合成心磷脂，从而支持线粒体生物发生并促进功能恢复。心磷脂的合成完全依赖线粒体，缺失心磷脂合成酶Crd1p的菌株在DOX处理下恢复能力显著降低，进一步验证了心磷脂在线粒体应激恢复中的关键作用。此外，缺乏心磷脂的菌株未能动员TAG储备，凸显了心磷脂是TAG动员与线粒体功能恢复间的关键影响因素。
通过结合多组学数据和细胞器表型分析，作者发现DOX处理引起的线粒体体积变化与脂滴体积变化高度相关，证明脂滴是TAG消耗的主要来源。相关性分析确定了脂滴蛋白Pln1p是TAG代谢的关键调控因子，并进一步通过实验证明过表达Pln1p会抑制TAG分解，从而削弱脂质动员能力，导致显著的生长缺陷。因此，脂滴来源的TAG动员在线粒体应激恢复中发挥了关键作用，而Pln1p是脂质代谢和线粒体功能恢复调控的关键节点。
研究还进一步探讨了脂滴提供酰基链的机制，发现TAG脂解主要由Tgl3-5p介导，并排除了脂滴自噬及脂肪酸β氧化在应激恢复中的作用。此外，实验结果表明TAG动员的主要功能是支持线粒体膜相关脂质（如心磷脂）的新生，而非提供代谢燃料。
最后，作者验证了哺乳动物细胞是否同样依赖TAG动员来恢复应激后的线粒体功能。结果显示，无论在酵母还是哺乳动物细胞中，TAG动员都是克服线粒体应激的关键一环。特别是在哺乳动物细胞中，ATGL的介导的TAG动员对应激后的线粒体功能恢复尤为重要，ATGL基因缺失会显著增强细胞对线粒体应激（如多西环素处理）的敏感性。另一方面，脂肪酸β氧化并未在这一过程中发挥主要作用。因此，TAG动员在线粒体应激后的功能恢复过程中，作用重要且保守。
综上所述，本研究通过多组学质谱分析，揭示了TAG动员在应对线粒体应激恢复中的重要作用。这一过程依赖TAG脂肪酶（如Tgl3-5p）为心磷脂合成提供脂酰基，不依赖脂肪酸氧化。相关机制在哺乳动物细胞中同样得到验证，为理解线粒体功能障碍及其干预提供了新的视角。
参考文献
- Schlieben, L. D. & Prokisch, H. The dimensions of primary mitochondrial disorders. Front. Cell Dev. Biol. 8, 600079 (2020).
- Liao, X., Small, W. C., Srere, P. A. & Butow, R. A. Intramitochondrial functions regulate nonmitochondrial citrate synthase (CIT2) expression in Saccharomyces cerevisiae. Mol. Cell. Biol. 11, 38–46 (1991).
- Zhao, Q. et al. A mitochondrial specific stress response in mammalian cells. EMBO J. 21, 4411–4419 (2002).
- Kim, H.-E. et al. Lipid biosynthesis coordinates a mitochondrial-to-cytosolic stress response. Cell 166, 1539–1552.e16 (2016).
- Stefely, J. A. et al. Mitochondrial protein functions elucidated by multi-omic mass spectrometry profiling. Nat. Biotechnol. 34, 1191–1197 (2016).