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Nature丨首次证明腺苷酸转运体参与线粒体自噬,且不依赖于腺苷酸转运功能 ​

2019年10月20日 11:01  点击:[]

线粒体自噬 (Mitophagy) 这一概念最早由 Lemasters 于 2005 年正式提出 【1】 ,他观察到线粒体膜电位丧失和线粒体通透性膜孔开放能引起线粒体自噬。线粒体自噬的异常与包括神经退行性疾病、血液病、心血管疾病甚至癌症在内的多种疾病的发生有密切关系。因而,研究线粒体自噬的分子调控机制将有助于了解这些疾病的发病机制和寻找新的疾病预防及治疗的策略 【2,3】



腺苷酸转运体 (adenine nucleotide translocator, ANT 位于线粒体内膜,其表面存在ATP和ADP的结合位点,是负责线粒体基质和细胞浆之间ADP/ATP转换的转运蛋白。在正常生理状态下,ADP/ATP 的交换遵循 Michaelis-Menten 动力学, ANT作为反向转运载体把胞浆的ADP转运到线粒体基质,并把线粒体基质合成的ATP转运到胞浆,从而实现为机体供能 【4】 。然而,在线粒体膜电位去极化时,ANT反而作为一种保护机制,把胞浆的ATP转运到线粒体基质,把线粒体基质的ADP转运到胞浆,从而缓解线粒体膜电位的去极化 【5】 。此外,ANT的突变也在多种人类疾病中被发现,但对其致病机制知之甚少。

2014年厦门大学吴乔课题组在Nature Chemical Biology首次报道ANT参与了细胞自噬 【6】 。核受体Nur77可以在其激动剂THPN诱导情况下转运至线粒体,通过与ANT1结合,诱导线粒体膜电位的去极化,导致黑色素瘤细胞走向不可逆的自噬性死亡 【6】 。但是生理状态下ANT是否参与调控线粒体自噬仍然不得而知。

2019年10月16日,宾夕法尼亚大学Zoltan Arany团队 ( Atsushi Hoshino 和厦门大学 王维嘉 副教授为共同第一作者) Nature杂志上发表题为 “The ADP/ATP translocase drives mitophagy independent of nucleotide exchange ” 的研究论文,该工作阐明了ANT复合体能够促进线粒体自噬,且不依赖于其腺苷酸转运功能的作用机制。


在这项研究中,为了鉴定出参与线粒体自噬的基因,作者设计并完成了7组基于流式细胞荧光分选的CRISPR全基因组筛选,首次发现了Ant1Ant2作为潜在的线粒体自噬基因。接着,作者在不同细胞系中进一步确认:ANT复合物是线粒体自噬所必需的,基因水平上敲除Ant能够显著地抑制线粒体自噬。但是,该结果却与ANT抑制剂结果相矛盾:在线粒体膜电位丧失的情况下,作者运用药物 (Bongkrekic acid或Ibipinabant) 阻断了ANT的腺苷酸转运功能,进一步促进线粒体的去极化,反而加剧了线粒体自噬。

接着,作者通过人类疾病中的ANT1突变体现象进一步确认了这二者存在矛盾:ANT1 (A123D) 和ANT1 (A90D) 突变体分别存在于心肌病 (MTDPS12B) 和外眼肌麻痹病 (PEOA2) 【7】 ,它们虽然具有腺苷酸转运功能,但却不再具有诱导线粒体自噬能力;与之相反的是,轻度肌病中的突变体ANT1 (K33Q) 8】 以及腺苷酸结合部位突变体ANT1 (K43E/R244E) ,它们完全丧失腺苷酸转运功能,但却能够诱导线粒体自噬。这说明,ANT的腺苷酸转运功能与其调控线粒体自噬能力是相互独立的。

经典的PINK1/PARKIN自噬信号的激活依赖于TIM23膜孔通道的开闭:当线粒体发生损伤/去极化时,TIM23膜孔通道关闭,阻断PARL对自噬关键蛋白PINK1的剪切,使PINK1被积累在线粒体外膜上,从而招募PARKIN促进线粒体自噬的发生 【9】 。作者发现敲除Ant使细胞丧失了在去极化情况下自我关闭TIM23膜孔通道的能力,使得PINK1被持续降解,导致PINK1/PARKIN线粒体自噬信号通路被阻断。野生型ANT1能与TIM23膜孔通道结合,而自噬功能缺陷的突变体ANT1 (A123D) 和ANT1 (A90D) 则不能与TIM23结合。进一步的Blue Native PAGE实验检测到在线粒体中存在ANT-TIM23超大复合物。而TIM23复合体中的TIM44在后续实验中被发现是连接TIM23和ANT的关键蛋白。

至此,作者基本证实了ANT不依赖于其腺苷酸转运功能的全新自噬调控机制:ANT直接与TIM23膜孔通道复合物的TIM44结合,在线粒体受损/去极化情况下,ANT1调控TIM23膜孔通道的关闭,稳定PINK1的表达,进而促进线粒体自噬 (图一)

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图一 ANT通过结合TIM23膜孔通道复合体来调控线粒体自噬的机制模型图
最后,作者进一步证实Ant是体内线粒体自噬的必要基因:在自发心肌肥大的Ant1 KO 小鼠心肌样本,以及ANT1纯合突变的非缺血性心肌炎的重度心衰患者的心肌样本中,均存在大量异常线粒体,并伴随着线粒体肿胀,线粒体嵴丢失,外膜受损,线粒体成分释放到细胞质中。进一步对Ant1KO小鼠的骨骼肌的检测还发现,Ant1KO小鼠的线粒体自噬水平显著低于野生型小鼠,而体内表达野生型ANT1或 ANT1 (K33Q) 突变体可以回复线粒体自噬水平,但是ANT1 (A90D) 突变体却不能。 这些生理病理现象都表明,线粒体自噬受阻与心肌疾病的发生密切相关,靶向线粒体自噬将为ANT缺陷相关疾病的治疗提供新的治疗方向。

据悉,Atsushi Hoshino博士和 王维嘉 博士为该论文共同第一作者, Zoltan Arany 教授为通讯作者。
 
原文链接:
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1667-4

制版人:小娴子




参考文献




1. Lemasters, J.J., Selective mitochondrial autophagy, or mitophagy, as a targeted defense againstoxidative stress, mitochondrial dysfunction, and aging. Rejuvenation Res,2005. 8(1): p. 3-5.
2. Abeliovich,H., Mitophagy: the life-or-deathdichotomy includes yeast.  Autophagy , 2007. 3(3): p. 275-7.
3. Youle,R.J. and D.P. Narendra, Mechanisms ofmitophagy.  Nat Rev Mol Cell Biol, 2011. 12(1): p. 9-14.
4. Belzacq,A.S., et al., The adenine nucleotidetranslocator in apoptosis.  Biochimie , 2002. 84(2-3): p. 167-76.
5. Kawamata,H., et al., adPEO mutations in ANT1impair ADP-ATP translocation in muscle mitochondria.  Hum Mol Genet , 2011. 20(15): p. 2964-74.
6. Wang,W.J., et al., Orphan nuclear receptor TR3acts in autophagic cell death via mitochondrial signaling pathway.  Nat ChemBiol,  2014. 10(2): p. 133-40.
7. Clemencon,B., M. Babot, and V. Trezeguet, Themitochondrial ADP/ATP carrier (SLC25 family): pathological implications of itsdysfunction.  Mol Aspects Med,  2013. 34(2-3):p. 485-93.
8. King,M.S., et al., Expanding the phenotype ofde novo SLC25A4-linked mitochondrial disease to include mild myopathy. Neurol Genet , 2018. 4(4): p. e256.
9. Nguyen,T.N., B.S. Padman, and M. Lazarou, Decipheringthe Molecular Signals of PINK1/Parkin Mitophagy.  Trends Cell Biol , 2016. 26(10): p. 733-744.



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