Cell 前沿：线粒体处于健康与疾病的十字路口
学术
2024-12-02 07:07
北京
线粒体位于分解代谢和合成代谢的十字路口，人们越来越了解它们的结构和功能，如何动态调整以响应组织特定的能量、生长修复和更新需求。线粒体对内在和外在应激做出反应，并可以通过诱导细胞内以及远端细胞和组织的代谢信号来改变细胞和有机体功能。今天，小编要和大家分享一篇2024年5月发表在Cell上的前沿综述，作者回顾了线粒体在健康以及广泛的疾病和衰老中的中心地位及其功能体现。![]()
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线粒体是高效、适应性强的生物能量机器，为真核细胞的生物合成提供动力。尽管线粒体源自共同的细菌祖先，预计是α-变形菌起源，但即使在生物体内，线粒体也显示出令人难以置信的功能和组成多样性。线粒体丢失了大部分细菌祖先基因组，其中许多基因被转移到细胞核中。16.6 kb 的小型质粒样线粒体基因组(mtDNA)仅编码 13 种蛋白质，专门用于通过氧化磷酸化产生化学能分子ATP。线粒体-核的伙伴关系和分散且高效的线粒体隔室配置使细胞能够提高能量产生，并通过为转录和蛋白质翻译（细胞ATP的最高消耗者）提供动力，显着提高核基因表达能力。祖先基因组的丢失也推动了线粒体蛋白质和脂质生物发生以及线粒体行为新途径的进化，以将其功能与细胞状态整合起来。真核细胞线粒体功能的中心地位反映在它们的功能障碍在几乎所有医学领域的一系列疾病中的表现。值得注意的是，超过40%的线粒体蛋白与人类疾病有关，这凸显了线粒体对人类健康的核心作用。线粒体疾病以高度组织特异性或多系统方式存在于任何年龄、任何器官系统，并表现出任何遗传模式。然而这种重要的细胞器如何导致如此多种疾病在很大程度上仍然是一个谜。在结构上，线粒体具有两种不同的膜：外膜和内膜（分别为 OM 和 IM）以及两个功能多样的区室：膜间空间 (IMS) 和基质（图 1）。OM 是一个光滑的富含脂质的表面，控制线粒体行为和细胞通讯。IMS是最小的区室，尽管仅容纳 5% 的线粒体蛋白质组，但是能促进蛋白质和脂质生物发生、金属稳态、氧化还原调节和氧化折叠、细胞凋亡以及线粒体动力学和结构的多种途径。IM是真核细胞中蛋白质最密集的膜，高度不渗透并形成称为嵴的结构。IM 被认为是细胞器的功能核心，它容纳电子传递链。线粒体基质容纳了大量的生物合成反应以及线粒体遗传系统。这种区室化对于整体细胞器和细胞功能至关重要。![]()
图1. 线粒体形态：区室化、交互式、动态和移动
代谢通过为各种细胞功能提供必要的能量和分子前体并影响基因表达和信号传导途径，对于确定细胞状态至关重要。线粒体是代谢的核心，因为它们容纳或连接到所有中间代谢途径，根据细胞的营养、压力和分化状态动态改变其代谢模式。线粒体最著名的细胞作用是通过氧化磷酸化产生ATP。RC I、III 和 IV 形成电子传输链，将糖酵解和 TCA 循环中的还原当量转移到最终的电子受体，即吸入氧气，从而产生CO2和 H2O。RC的电子转移与质子传输耦合，从而在IM上产生150-200 mV的巨大电化学势(ΔΨmv)。线粒体ΔΨmv 在线粒体生物学的许多非ATP相关方面发挥作用。包括驱动并调节线粒体离子稳态和活性氧(ROS)的产生、线粒体融合和蛋白质输入控制。因此有人提出通过 ΔΨmv 的减少来检测网络内的线粒体功能障碍。此外，ΔΨmv的损失也发生在细胞死亡中，通过凋亡过程中线粒体通透性转换孔 (mtPTP) 的开放和BCL相关X (BAX)介导的细胞色素c释放。尽管线粒体保留了一些祖先的功能和反应，例如对病毒感染和温度的反应能力，它们的代谢作用和可塑性发生了显着变化。它们合成铁硫 (Fe/S) 簇，参与合成不可或缺的血红素辅因子，调节胆固醇生物合成。线粒体还产生乙酰辅酶A、羟基酮戊二酸、2-酮戊二酸、琥珀酸和富马酸等中央调节代谢物，这些代谢物可以修饰表观基因组以调节核基因表达并作为信号细胞器发挥作用，介导整个生物体的代谢状态（图 2A）。![]()
图2. 线粒体对细胞稳态的多方面贡献
在细胞水平上，线粒体通过信号通路直接响应营养状态——细胞状态的关键决定因素。禁食期间，线粒体转变为所有可用燃料的分解代谢氧化燃烧器：葡萄糖、脂质、氨基酸和酮体。当营养充足时，通过非氧依赖性糖酵解产生ATP，从而促进线粒体向合成代谢模式的转变。在合成代谢模式中，线粒体利用营养碳通过 TCA 和叶酸循环驱动氨基酸、核苷酸和其他代谢物的产生，以促进生长和修复（图 2B）。从机制上讲，线粒体代谢可塑性与结构可塑性相关。线粒体的形状和分布是线粒体分裂、融合和运动机器协同作用的结果。线粒体结构的这些变化部分是由线粒体分裂和融合的相对速率决定的，线粒体分裂和融合的相对速率分别由细胞质中的动力相关GTP 酶 DRP1以及线粒体 OM 和 IM 中的 MFN1/2 和 OPA1 催化。线粒体内部和附近生物合成酶的组织和定位也受到细胞代谢状态的调节。除了识别线粒体的动态变化之外，该领域还开始描述细胞内不同的“线粒体类型”。例如，线粒体亚群存在于棕色脂肪细胞中，其中与线粒体接触的脂滴专门用于脂质储存，而不相关的线粒体则在氧化磷酸化中活跃。事实上，线粒体特化可能更广泛地通过与其他细胞器（例如内质网）的接触来介导（图 3）。![]()
图3. 线粒体与细胞器的相互作用
人类线粒体蛋白质组约占总细胞蛋白质组的 7%，基于质谱的方法已经解决了线粒体子区室的组成以及蛋白质在其中如何相互作用，但仍然需要对增殖细胞和有丝分裂后细胞之间、不同组织和细胞类型之间、甚至细胞内线粒体之间的线粒体蛋白质组如何不同进行完整注释。与蛋白质组一样，脂质组也是复杂的、膜特异性的和动态的，有超过 200 个物种，包括主要的线粒体甘油脂、磷脂酰胆碱 (PC) 和磷脂酰乙醇胺 (PE)，以及独特的标志性脂质——心磷脂 (CL)。除了类固醇激素合成细胞中的线粒体外，线粒体还含有少量的鞘脂和甾醇。在肝脏中，线粒体脂质组以与核脂质组相反的方式以昼夜、可能是昼夜节律定向的方式振荡，这突出表明细胞脂质流是细胞和有机体稳态的关键调节剂。核编码线粒体蛋白的生物发生是在胞质核糖体上靠近线粒体OM的地方启动的，胞质泛素-蛋白酶体系统（UPS）可防止线粒体前体蛋白在胞质中积累。IM的ΔΨmv 也是前体输入所必需的，并且部分通过对相对基本的线粒体输入信号的电泳效应来帮助输入。在超出输入和 UPS 周转机制能力的情况下，胞质前体蛋白的积累和输入可能会停止，这种情况称为线粒体前体过度积累应激 (mPOS)。mPOS 激活多种细胞应激途径，包括上调蛋白质稳态、线粒体 ISRmt 和 mitoCPR（线粒体受损蛋白输入反应）、线粒体自噬和细胞死亡的途径。线粒体蛋白输入的遗传缺陷会导致神经病、肌病、神经退行性疾病、癌症和心血管疾病。在人类中，16.6 kb的环状 mtDNA包含37个基因：22个tRNA和两个核糖体 RNA，用于 mtDNA 编码的13种结构蛋白的线粒体翻译，这些结构蛋白是呼吸链蛋白复合物 I、III、IV 和 V 的核心成分。线粒体基因表达的整个过程是相互关联的，产生可以使用超分辨率显微镜可视化的RNA颗粒凝聚。冷冻电子显微镜已经捕获了线粒体核糖体结构，包括人类的线粒体核糖体结构，除了线粒体编码的16S和12S rRNA之外，核糖体还拥有第三种完整的 RNA 成分：tRNA-Val，在mtDNA中编码并以相等的化学计量存在。核编码和线粒体编码的翻译产物集中在 I、III、IV 和 V 呼吸复合体的生物发生上。如何协调这是一个活跃的研究领域。在酵母中，胞质翻译控制线粒体翻译，以促进平衡的线粒体和胞质蛋白质合成。相比之下，在人体细胞中，抑制一个系统引起的失衡在短期内不会影响另一个系统。线粒体和核基因组之间的通讯错误可能会导致应激途径（例如 ISRmt）的激活。与线粒体蛋白质组一样，细胞器脂质组由线粒体外和线粒体衍生成分组合而成（图 4）。线粒体 IM 拥有甘油脂 PE和CL以及古老电子载体脂质CoQ的重要从头生物合成途径。PE是OM和IM中丰富的脂质，而CL是 IM 高度富集的。它们共同在 IM 结构和组织中发挥着至关重要的作用，是线粒体融合、呼吸复合体完整性和嵴形态发生的重要调节因子。PC是线粒体中细胞器完整性所需的主要磷脂，必须从 ER 或其他细胞器膜获取。PC通过多种脂质转运蛋白整合到OM中，并通过线粒体内脂质转运蛋白STARD7转移到 IM。![]()
图4. 线粒体脂质代谢
线粒体还可以通过外膜脂质转运蛋白从内质网和其他细胞器获取脂质，外膜脂质转运蛋白创建膜接触位点，作为将两个细胞器结合在一起的束缚复合物的一部分。在这些位点，线粒体主要与 ER 以及其他细胞器（例如溶酶体/液泡、内体和脂滴）合作。膜接触位点进出线粒体的脂质运输的分子基础和调节是一个活跃的研究领域。线粒体接触位点的组成和功能很复杂，因为不同的接触位点复合物可以共定位并以组合方式发挥作用。通过控制脂质通量，它们形成一个包含所有细胞膜的更大的连接网络，该网络可以重新配置以冗余地相互补偿，以控制脂质稳态（图 4）。几乎所有维持线粒体DNA、调节线粒体DNA拷贝数以及表达线粒体DNA编码基因所需的蛋白质都是由核DNA编码的。利用这一特征来调节 mtDNA 转录本的表达以满足代谢需求。人类的线粒体基因表达水平在组织和个体水平上都有显着差异，其基础尚未完全了解，但可能对于满足组织特异性能量需求、与线粒体代谢物产生的组织特异性需求平衡很重要。每个细胞的线粒体DNA拷贝数根据细胞类型而变化，并且在细胞命运转变过程中受到高度调控。然而，哪些因素限制了有丝分裂后和增殖细胞中不同细胞类型的特定 mtDNA 量仍不完全清楚。最近的一项研究使用了300,000个人样本，确定了几个影响mtDNA拷贝数和异质变体选择的核位点，与小鼠遗传学一致。在人类中，线粒体DNA是通过母系单亲遗传的：父系线粒体被线粒体自噬主动降解。鉴于此，线粒体替代疗法已成为预防 mtDNA传播疾病的工具。该方法将携带突变线粒体DNA的母亲的卵母细胞核转移到健康线粒体供体的去核卵母细胞中，然后由精子受精。目前，这种方法是唯一允许的种系基因改造。它仅在特定国家获得批准，并且严格限于患有由mtDNA突变引起的疾病复发的家庭。利用线粒体脂质组和蛋白质组的可塑性，使线粒体功能与细胞类型和细胞状态依赖性代谢需求相匹配。这种可塑性是转录、翻译和翻译后调节的产物，涉及顺行细胞核到线粒体，以及逆行线粒体到细胞核信号。线粒体生物合成网络的关键调节因子是过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活剂1-α蛋白 (PGC-1α)。该转录共激活因子与多种转录因子相互作用，例如过氧化物酶体增殖物激活受体(PPAR)家族，以控制线粒体FAO相关基因的表达。PGC-1α激活核呼吸因子1/2的表达，这对于增加参与线粒体生物发生的基因（例如 mtDNA 拷贝数调节因子 TFAM）的表达至关重要。PGC-1α 网络的作用超越了线粒体——该网络协调代谢程序，例如糖异生、葡萄糖转运和脂肪生成。能量传感器 AMPK 和 mTORC1 等营养传感器是关键的细胞生长和代谢调节因子。它们作用于转录和调节线粒体组成、行为和功能的因子的上游。AMPK 感知能量状态，由许多改变 ATP与AMP比率的线粒体应激原激活。当被激活时，AMPK 会磷酸化其多种底物，包括 PGC-1α，通过增加线粒体自噬通量等方式将细胞代谢状态转变为分解代谢程序。mTORC1激活诱导线粒体转变为合成代谢修复模式。mTORC1 还直接磷酸化关键的脂质代谢酶，例如 LIPIN，一种限速磷脂生物合成酶，它消耗生长信号脂质 PA，用于 DAG 生产和脂肪储存。抑制 mTORC1 通过刺激自噬和线粒体自噬激活分解代谢状态。线粒体翻译组正在成为一种针对线粒体功能进行简便调节的机制。线粒体蛋白的局部 mRNA合成可能在线粒体生物发生和应激反应中发挥作用，特别是在神经元等高度极化的细胞中。ER-线粒体接触位点蛋白与编码线粒体蛋白的 mRNA 结合，与胞质翻译无关。线粒体翻译组还受到高度保守的胞浆蛋白簇线粒体同源物(CLUH) 的调节，其功能是增加编码线粒体靶向蛋白的核编码 mRNA的稳定性和翻译。在翻译后水平，20多种线粒体蛋白酶的作用发挥着重要作用。除了质量控制功能之外，他们还调整蛋白质组，使线粒体功能与细胞类型和状态依赖性代谢需求相匹配。例如，基于IMS的AAA蛋白酶YME1L对线粒体脂质组的调节是细胞中的一种调节翻译后机制，YME1L 降解40多种关键线粒体蛋白，包括 IM 中蛋白转位酶的调节亚基。线粒体功能障碍以逆行方式发出信号，以引发分阶段进展的相应应激反应。这些范围从促进修复的重塑代谢途径到通过微自噬、线粒体自噬、和线粒体衍生的囊泡介导的途径去除受损蛋白质。当超过这些途径的容量时，细胞会因细胞凋亡、铁死亡或焦亡而死亡，具体取决于信号和细胞/组织环境。线粒体蛋白酶是线粒体质量控制的一线反应者。AAA蛋白酶定位于 IMS、IM和基质，并与导入和组装机器相关，在其中监测、提取和降解错误折叠、错误组装和受损的蛋白质：IM中的YME1L的活性位点定位于 IMS；可溶性ClpXP和 LonP存在于基质中。虽然一些线粒体蛋白酶（例如 YME1L）具有组成型活性，但线粒体金属蛋白酶 OMA1 在未受应激的细胞中大多处于休眠状态。它会因 ΔΨmv、热量和毒素的损失而被激活，并发挥独特的质量控制促生存作用。OPA1 抑制剂已被提议作为癌症治疗的候选药物。线粒体蛋白质周转也由蛋白质划分为出芽膜泡状结构 (MDV) 介导，这可能相当于线粒体外膜 (SPOT) 和线粒体衍生区室 (MDC) 阳性的结构。这些囊泡的产生可能是保守的，具有多种功能，其中包括质膜线粒体抗原呈递、降解介导的质量控制以及通过与过氧化物酶体等细胞器融合而发出的信号（图 3）。最了解的线粒体质量控制途径是选择性巨自噬或线粒体自噬，它将整个或部分线粒体（分段线粒体自噬）引导至溶酶体进行降解。该机制取决于Pink1激酶。其他不依赖于泛素的线粒体自噬途径由 OM 受体蛋白（例如 NIX、BNIP3 和 FUNDC1）启动。线粒体自噬在正常生理学中发生在体内，通常以细胞自主的方式发生，因此可以在组织的相邻细胞中被激活或停滞。因此单细胞分析在与线粒体自噬相关的疾病模型中具有十分重要的意义。ISRmt是哺乳动物线粒体逆行的主要途径。信号通路涉及应激蛋白酶OMA和线粒体蛋DAP3结合细胞死亡增强子1(DELE1)。ISRmt 可能是有益的，也可能是有害的，具体取决于疾病情况。ATF转录因子协调ISRmt的转录臂，这与其他eIF2α蛋白激酶 GCN2、PKR和 PERK发起的传统 ISR反应相似但不完全重叠，这些蛋白激酶感知不同类型的压力。ISRmt的代谢臂通过将能量代谢转变为糖酵解，将葡萄糖衍生的碳引导至丝氨酸生物合成以及叶酸循环和 1C代谢，并通过上调线粒体叶酸循环，将细胞转变为修复代谢状态。1C代谢高度保守并存在于线粒体祖先中，表明其动态代谢途径结构的实用性，可以在营养充足的条件下灵活地为细胞产生生长成分，在多细胞生物中进行定制，以优先考虑特定细胞类型的需求。从头丝氨酸合成是慢性 ISRmt 反应的主要组成部分，也是 1C 单位的主要来源，有助于核苷酸、谷胱甘肽和磷脂的合成。虽然组织损伤导致线粒体抗原释放到细胞外位点和炎症，但病毒感染可以触发线粒体将其成分释放到细胞质中。这些成分中包括线粒体遗传系统的元素——线粒体DNA、RNA和线粒体衍生的甲酰肽 (mDAMP)——它们可以作为先天免疫系统的有效促炎激动剂。这些 mDAMP 激活细胞模式识别受体 (PRR)，例如双链DNA传感器环GMP-AMP 合酶 (cGAS)/IFN基因刺激剂 (STING) 途径和 dsRNA 传感器 RIG-I。线粒体释放mtDNA和mtRNA的机制仍然只有部分了解，并且主要基于培养细胞的研究。已经描述了两种基于孔的机制，它们是由OM中BAX/BAK或VDAC 的低聚形成的。mDAMP 介导的炎症似乎与线粒体和年龄相关疾病高度相关，但需要做大量工作来了解线粒体在先天免疫中的潜在机制以及疾病和组织选择性效应。调节线粒体复制体和核苷酸库的酶功能障碍是人类线粒体疾病的一个重要原因，也是其组织特异性表现的一个很好的例子，mDAMP是导致这种结果的新贡献者。线粒体DNA耗竭综合征(MDS)的表型通常出现较早，且其表现仅限于特定组织，例如骨骼肌或肝脏和大脑。这些疾病最常见的原因是DNA聚合酶γ、POLG1的突变。线粒体疾病的变异性反映在它们在神经系统中的广泛表现（表 1）——涵盖神经系统疾病的整个领域。存在一些基因型-表型相关性，但发病机制的潜在途径各不相同，并影响不同的神经系统细胞类型。事实上，即使是“典型的”线粒体脑疾病也不存在。因此，没有一种单一的治疗方法可能对所有线粒体脑疾病都有益，甚至一种疾病也可能需要多个不同的靶点作为治疗策略![]()
图5. 线粒体疾病的高度可变的神经系统表现
自从Denham Harman提出线粒体衰老理论以来，线粒体在衰老中的作用引起了人们的关注。他提出，线粒体DNA突变在衰老过程中不断积累，从而增加了自由基种类，从而进一步增加了线粒体DNA突变。从那时起，ROS就被认为是衰老的一个重要因素，但支持这一观点的实验数据仍然很少。“线粒体功能障碍”被认为是衰老标志网络的中心节点，影响其他关键细胞过程并导致与年龄相关的病理。关键问题是：线粒体的哪些特征发生改变并导致与年龄相关的变化？我们认为线粒体对衰老的核心贡献是多方面的，在于它们响应外在和内在信号传导和压力而促进代谢状态转变的能力，以及它们在炎症和干细胞维持中的作用。表观基因组的变化是衰老的一个标志，并促进衰老过程。线粒体TCA循环和 1C 途径为组蛋白和基因组修饰提供必需的辅助因子。主要甲基供体 SAM 用于两个靶标的甲基化，而TCA代谢物α-KG在去甲基化中作为 5-甲基胞嘧啶羟化酶（例如TET家族）的共底物。这提出了一个有趣的可能性，即生物衰老的 Horvath 时钟依赖于特定位点 DNA 甲基化的变化。另外，组蛋白乙酰化和去乙酰化也直接受线粒体代谢调节。此外，线粒体合成代谢和分解代谢状态的动态循环作为压力和衰老的函数对表观基因组具有广泛的影响。总之，线粒体代谢的可塑性表明，针对疾病和衰老相关表观遗传途径的干预措施可能会延长健康寿命。变革性技术和基于人工智能的方法的惊人发展最终将能够解析完整的线粒体原子结构。基于质谱的高通量纯化复合物和化学交联蛋白的蛋白质组学，已开始解决完整的线粒体相互作用组。可以使用基于人工智能的生成式蛋白质结构预测来利用这些信息，创建未解决的线粒体复合物与代谢物和脂质复合物的高分辨率模型。更灵敏、更特异的代谢物生物传感器可以更深入地了解细胞器、单细胞和组织水平的代谢动态，并将我们的代谢理解从原位扩展到体内。在体内，代谢流分析揭示了不同细胞类型和组织的代谢需求以及有机体水平的动态变化。此外，通过成像质谱技术发展的空间代谢组学将以越来越高的分辨率捕获组织内功能单元的代谢。线粒体作为信号细胞器的多方面作用越来越受到人们的认可。线粒体通过与蛋白质和其他大分子结合，利用代谢物发出细胞状态信号，以改变代谢通量以匹配外在或内在应激，并修改细胞功能以匹配细胞类型的特定需求。线粒体是营养感知和代谢的核心，这意味着营养是线粒体功能障碍和疾病的重要因素。尽管有明显的逻辑，但这种相互作用需要进行更多研究，特别是因为饮食可以成为线粒体疾病的治疗工具，针对特定代谢疾病的个性化饮食的系统研究可能会成为未来医学的重要工具。总之，线粒体处于代谢可塑性的中心，并已进化成为多方面的信号细胞器。通过它们的信号机制，它们将营养物质的可用性与细胞和有机体状态相结合，以满足细胞、组织和有机体水平对燃料、生长和修复的需求。作者预计线粒体生物学的下一个十年将解开健康和长寿的谜团。更贴合临床的生信分析定制
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