发现线粒体MOMP“一体两面”，非凋亡，是衰老!
Nature
2023.10.11
João Passos
文章摘要
衰老细胞可通过诱导慢性衰老相关分泌表型（SASP）驱动衰老相关组织功能障碍。线粒体在细胞凋亡中扮演重要角色，而凋亡是一种不同于衰老的细胞事件。在细胞凋亡过程中，广泛存在的线粒体外膜通透性（MOMP）导致细胞程序性死亡。线粒体功能紊乱也是细胞衰老的重要标志，清除线粒体可以抑制SASP，因此线粒体被认为是抗衰老治疗的潜在有效靶点。尽管线粒体功能紊乱与衰老细胞的SASP密切相关，然而其潜在的机制尚不清楚。
近期，梅奥医学中心（Mayo clinic）João Passos团队以及英国格拉斯哥大学（University of Glasgow）Stephen Tait团队合作在《Nature》上发表题为“Apoptotic stress causes mtDNA release during senescence and drives the SASP”的文章，他们首次发现线粒体部分亚群发生MOMP，不会诱导细胞死亡，但加速细胞衰老，这一现象被称为少数线粒体外膜通透性（miMOMP）。在衰老过程中，miMOMP导致线粒体DNA（mtDNA）通过BAK/BAX通道释放到细胞质中，激活cGAS-STING通路，进而促进SASP的发生。
研究背景
线粒体功能紊乱是细胞衰老和凋亡的内在重要调控机制。
1. 早期研究显示，清除衰老细胞中的线粒体，可以有效抑制SASP，提示靶向线粒体可能成为抗衰老的潜在干预策略。
2. 另外，线粒体参与细胞凋亡调控，通过依赖于BAX或BAK的MOMP，促使细胞色素C和mtDNA胞质释放，活化Caspase级联反应，最终导致细胞程序性凋亡。
早期观点：MOMP只有发生和不发生两个状态，没有中间状态
早期观点认为，一个细胞中所有线粒体的广泛存在的线粒体外膜通透性（MOMP）是同步发生的，只有发生和不发生两种状态，没有中间状态。要么所有线粒体全部发生MOMP，诱导细胞凋亡；要么都不发生MOMP，细胞正常存活。
本文发现：miMOMP不会诱发细胞凋亡，而是细胞衰老的重要特征
研究团队发现小部分线粒体发生MOMP（miMOMP），不会诱发细胞凋亡，而是细胞衰老的重要特征，并揭示了miMOMP促进细胞衰老的分子机制。值得注意的是，体内抑制miMOMP可降低炎症因子水平，改善衰老小鼠的健康状态。
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结果一：miMOMP是细胞衰老的重要特征
利用三维结构光照明显微镜（3D-SIM），研究团队对人成纤维细胞增殖和衰老状态进行分析，结果显示在辐射诱导衰老细胞（Sen IR）和复制性衰老细胞（Rep Sen）中Cyt c和TOM20的共定位减少（图1a,b）。此外，衰老细胞中胞质Cyt c（图1c,d）和活性caspase3（图1e）显著增加。随后，研究团队发现BAX仅在衰老细胞中形成寡聚体（图1f），并且活化的BAX在衰老细胞的外周线粒体碎片中表达水平显著升高（图1g-i）。这些数据表明miMOMP作为亚致死性细胞凋亡应激的结果，也发生在衰老过程中。
图1:衰老细胞发生miMOMP释放
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结果二：衰老过程中胞质mtDNA增加
利用三维超高分辨率Airyscan共聚焦显微镜对TOM20和DNA双重免疫荧光染色成像显示，与正常增殖的细胞相比，衰老细胞中胞质DNA明显增多（图2a,b）。免疫电镜结果显示，衰老细胞中胶体金标记的DNA水平显著升高（图2c）。为了确定胞质DNA是否来源于线粒体，研究团队采用qPCR特异性检测mtDNA (D-loop)，结果显示衰老细胞的胞质组分中富集mtDNA（图2d）。此外，免疫染色结果显示，大多数细胞质DNA与mtDNA核小体的核心组分之一的转录因子TFAM共定位（图2e-f）。这些结果表明衰老细胞中胞质mtDNA水平增加。
图2: 衰老细胞的胞质mtDNA增加
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结果三：miMOMP是SASP 关键驱动因素
由于衰老细胞中活化BAX升高，研究团队试图解析BAX和BAK是否介导衰老细胞中mtDNA的胞质释放。采用CRISPR-Cas9基因编辑技术，同时敲除BAX和BAK显著抑制了衰老细胞中mtDNA的释放（图3a,b）。RNA-seq和细胞因子芯片分析进一步显示，BAK/BAX双敲除抑制了SASP相关基因的表达，并降低了促炎细胞因子水平（图3c-d）。然而，BAK/BAX双敲除不影响细胞周期蛋白依赖性激酶抑制因子p21和p16的表达水平（图3e-g），也没有改变SA-β-Gal活性、γH2A.X数量、以及Lamin B1和HMGB1表达水平（图3e-j, m）。此外，BAK/BAX双敲除也不影响Ki-67等增殖相关基因的表达（图3k-l, m）。这些数据表明衰老过程中BAX和BAK调节SASP，而不影响衰老相关的细胞周期阻滞。
图3:BAX/BAK介导的miMOMP促进衰老细胞mtDNA释放和SASP激活
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结果四：BAX和BAK促进在体SASP
小鼠体内研究显示，BAX和BAK双敲除显著抑制了肝脏中促炎细胞因子的表达（图4c-e），且炎症浸润显著减轻（图4g,h），但不影响细胞周期相关蛋白p16和p21的表达（图4f）。这些体内研究结果进一步表明BAX和BAK可调控衰老小鼠肝脏SASP，但不影响衰老相关细胞细胞周期变化。
图4:BAX和BAK在体内促进SASP
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结果五：mtDNA通过cGAS-STING驱动SASP
利用无线粒体功能的细胞模型（图5a-c），研究团队发现清除线粒体显著抑制了衰老细胞SASP相关基因表达，而转染mtDNA后能够显著促进这些基因表达升高（图5d,e,g）。机制上，mtDNA通过激活cGAS-STING信号调控SASP。
图5:胞质mtDNA介导衰老细胞的SASP
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结果六：抑制MOMP逆转衰老状态
最后，为了探讨药物抑制MOMP是否可以抑制mtDNA的胞质释放和SASP的产生，研究团队使用BAX小分子抑制剂BAI1，通过阻断BAX活化构象变化，抑制细胞中BAX活性。BAI1处理可显著抑制衰老细胞中BAX活性、胞质mtDNA水平和SASP相关基因表达（图6a,b,k），这些结果表明BAI1通过抑制BAX活性进而抑制SASP。更重要的是BAI1处理显著改善了衰老小鼠的肌肉功能、骨质流失和大脑SASP相关基因的表达。因此，靶向抑制miMOMP能够通过抑制mtDNA释放和SASP，从而逆转衰老状态。
图6:抑制miMOMP可以改善衰老小鼠衰老状态
结果讨论
创新性
这项研究为解析线粒体功能紊乱引起细胞衰老提供了关键的证据，并阐明了细胞衰老过程中miMOMP介导mtDNA 通过BAK/BAX孔道释放到胞质，激活cGAS-STING信号通路，从而促进SASP发生。重要的是，抑制miMOMP能够逆转衰老状态，为衰老相关疾病的研究和治疗提供了新视角和潜在干预策略。
分析讨论
然而在本研究中，为什么miMOMP驱动细胞衰老，而非细胞凋亡，及其可能分子机制仍旧不清楚。例如，miMOMP介导的BAX/BAK或Caspase3活化如何在不影响细胞周期停滞的情况下诱导SASP的产生；mtDNA和Caspase促使细胞走向凋亡或衰老的关键因子或通路等等。
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作者丨舒晓秋
审稿丨杨树广、周峰泉
推文编辑 | 余滋恺
