清華新聞網(wǎng)12月27日電 磷脂作為構(gòu)建線粒體雙層膜的基本結(jié)構(gòu)單元，在線粒體功能維持中起著十分重要的作用。大部分線粒體的磷脂都直接或間接來源于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中合成的磷脂。清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)交叉研究院王濤實(shí)驗(yàn)室探究了不同磷脂缺失對線粒體形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)磷脂酰絲氨酸和磷脂酰乙醇胺對于線粒體基本形態(tài)結(jié)構(gòu)維持的重要性。研究通過遺傳學(xué)篩選鑒定到了SLMO蛋白定位在線粒體內(nèi)外膜之間，并且具有轉(zhuǎn)運(yùn)磷脂酰絲氨酸的能力，這個(gè)功能并不依賴于dTRIAP1，同時(shí)驗(yàn)證了SLMO的功能在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中的保守性。這一研究揭示了由PSS/SLMO/PISD介導(dǎo)的磷脂酰絲氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)對于線粒體功能形態(tài)維持的重要作用。
12月17日，王濤實(shí)驗(yàn)室在《公共科學(xué)圖書館生物學(xué)》（Plos Biology）在線發(fā)表題為“SLMO在果蠅線粒體外膜和內(nèi)膜之間轉(zhuǎn)移磷脂酰絲氨酸”（SLMO transfers phosphatidylserine between the outer and inner mitochondrial membrane in Drosophila）的研究論文。研究發(fā)現(xiàn)，在眾多磷脂中，磷脂酰絲氨酸（PS）向磷脂酰乙醇胺（PE）轉(zhuǎn)變的故障會(huì)引發(fā)線粒體形態(tài)的異常，并且鑒定到線粒體膜間隙蛋白SLMO具有轉(zhuǎn)運(yùn)磷脂酰絲氨酸的能力，證明了由PSS/SLMO/PISD參與完成的PS/PE環(huán)路對線粒體穩(wěn)態(tài)的重要性。
線粒體作為細(xì)胞中重要的能量供給來源，其活性很大程度上依賴于其膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。細(xì)胞中的膜結(jié)構(gòu)由磷脂雙分子層構(gòu)成，不同細(xì)胞器的膜結(jié)構(gòu)中不同磷脂的分布和占比都不盡相同。一旦這個(gè)比例被打破，勢必會(huì)對線粒體以及其他細(xì)胞器造成傷害。常見的磷脂包括磷脂酰膽堿（PC）、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰絲氨酸、磷脂酰肌醇（PI）等。大部分磷脂都需要在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中合成，然后被運(yùn)送到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)朝向細(xì)胞質(zhì)一側(cè)的磷脂雙分子層上，再被以非囊泡依賴的形式運(yùn)送到線粒體上。這其中有一個(gè)例外，PE的合成完全依賴于線粒體內(nèi)膜上的PS被磷脂酰絲氨酸脫羧酶PISD催化生成，而這部分PS也是在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中合成之后被運(yùn)送到線粒體中的。組成線粒體雙層膜的兩種大量磷脂是PC和PE，其余磷脂如PI、PS，磷脂酸（PA）和心磷脂（CL）都屬于少數(shù)磷脂，但是每一種磷脂的功能都不可替代。目前對于哪一種磷脂對于維持線粒體基本結(jié)構(gòu)形態(tài)以及關(guān)于不同磷脂在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體之間的穿梭還尚不清楚。
本研究以果蠅為模型，首先在果蠅的飛行肌細(xì)胞中敲低各種磷脂合成的關(guān)鍵酶pcyt1，bbc，pect，pss，pisd，pis，驗(yàn)證了敲低之后的轉(zhuǎn)錄水平以及對應(yīng)磷脂的水平。發(fā)現(xiàn)只有pss和pisd的缺失會(huì)造成線粒體體積變小的表型。PSS是定位在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中由PC和PE生成PS的關(guān)鍵酶，而PISD是線粒體中的磷脂酰絲氨酸脫羧酶將PS轉(zhuǎn)化成PE。這說明PS和PE是維持線粒體形態(tài)正常的關(guān)鍵磷脂。
圖1.A，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體中常見磷脂合成代謝通路；B，C，敲低不同磷脂代謝酶對線粒體和果蠅運(yùn)動(dòng)能力的影響
由于線粒體中的PS完全來自于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，因此探究內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體之間PS的運(yùn)輸是非常重要的。通過之前的研究發(fā)現(xiàn)，在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中PE缺失的背景下過表達(dá)線粒體中的PISD可以回補(bǔ)其帶來的表型，這說明線粒體中的PE也可以被運(yùn)回到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中，這個(gè)過程涉及到PS從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到線粒體以及PE返回內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的整個(gè)環(huán)路。因此本研究利用這個(gè)系統(tǒng)構(gòu)建了一個(gè)正向遺傳學(xué)篩選，希望找到參與PS和PE轉(zhuǎn)運(yùn)的關(guān)鍵蛋白。經(jīng)過篩選鑒定到slmo的敲低可以抑制PISD過表達(dá)對內(nèi)質(zhì)網(wǎng)PE缺失的回補(bǔ)。而在飛行肌中敲低slmo同樣也會(huì)引起線粒體變小的表型。遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)證明SLMO的作用位于PSS的下游而在PISD的上游。通過免疫熒光染色以及其他生化實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)SLMO定位于線粒體的膜間隙。并且體外實(shí)驗(yàn)證明SLMO的確有轉(zhuǎn)運(yùn)PS的能力，T93與N150對于SLMO與PS的結(jié)合是十分重要的。與酵母中的研究不同，SLMO的功能在果蠅體系中并不需要所謂的輔助因子dTRIAP1/2。SLMO的人源同源蛋白叫做SLMO2，在Hela細(xì)胞中敲低SLMO2同樣也會(huì)引起線粒體提及的減小以及內(nèi)嵴結(jié)構(gòu)的異常，這說明了其功能的保守性。
圖2.SLMO缺失可以抑制線粒體與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)之間PS/PE的交換
圖3.SLMO具有體外轉(zhuǎn)運(yùn)PS的能力，T93和N150是結(jié)合PS的關(guān)鍵微位點(diǎn)
研究表明，由PSS/SLMO/PISD介導(dǎo)的PS的轉(zhuǎn)運(yùn)和PE的轉(zhuǎn)化對于維持線粒體以及細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵作用。
王濤實(shí)驗(yàn)室2019級博士生趙思文為論文第一作者，其他作者包括清華大學(xué)博士后蔣旭光、2018級博士生李寧；清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)交叉研究院高級研究員王濤為論文通訊作者。北京生命科學(xué)研究所影像中心、電鏡中心、核酸測序中心、代謝中心以及中科院遺傳與發(fā)育研究所的電鏡中心為研究提供了重要支持。研究得到科技部、國家自然科學(xué)基金委、北京市政府和清華大學(xué)的資助，在北京生命科學(xué)研究所完成。
論文鏈接：
https://journals.plos.org/plosbiology/article?id=10.1371/journal.pbio.3002941
供稿：生物醫(yī)學(xué)交叉研究院
編輯：李華山
審核：郭玲
