从溶酶体到线粒体:揭秘细胞自我保护的奥秘

文摘   2024-11-10 23:45   浙江  

当我们的细胞受到损伤时,谁在保护它们?损坏的线粒体会带来什么影响?


线粒体是细胞的"动力之源",就像微型发电站一样为细胞源源不断地提供能量。然而,当这些发电站运转不畅时,不仅会导致能量供应不足,还会产生大量有害的活性氧分子。这些活性氧就像失控的火花,会损伤周围的细胞结构。特别是在帕金森病等神经退行性疾病患者的脑细胞中,线粒体的这种"故障"格外普遍和严重。

令人振奋的是,科学家们发现了一个名为ATP13A2的关键蛋白。它能够调控一类特殊物质——多胺的运输,而多胺恰似"救火员",可以有效清除线粒体产生的有害活性氧。然而,ATP13A2究竟是如何保护线粒体的?它与多胺运输之间存在怎样的关系?这种保护机制是否在不同物种中都存在?

比利时鲁汶大学等研究团队在 PNAS 期刊发表了一篇题为《ATP13A2介导的内-溶酶体多胺外排对抗线粒体氧化应激》的研究论文。研究发现ATP13A2通过调控多胺转运来保护线粒体,为帕金森病等神经退行性疾病的治疗提供了新思路。


研究团队采用人类神经母细胞瘤SH-SY5Y细胞系和秀丽隐杆线虫作为研究模型,通过基因敲低、过表达和突变等方法研究ATP13A2的功能。使用流式细胞术、免疫印迹、代谢组学和荧光显微镜等技术手段检测细胞活力、活性氧水平、线粒体功能等指标。具体而言:



实验方法




 1. 实验模型的建立
这项研究主要采用了两种实验模型。第一种是人类神经母细胞瘤SH-SY5Y细胞系,这种来源于神经系统的细胞可以很好地模拟神经退行性疾病。另一种是秀丽隐杆线虫,这种体型微小、繁殖快速的生物具有与人类相似的基因,是理想的实验动物模型。

 2. 基因操作技术
研究人员通过多种基因操作技术来研究ATP13A2的功能。他们使用shRNA技术降低ATP13A2的表达,这就像削弱基因的声音;同时也构建了过表达系统,让细胞产生更多的ATP13A2蛋白;还制造了功能缺陷的ATP13A2突变体,以研究该基因的关键功能区域。这些不同的基因操作方法帮助研究人员全面了解ATP13A2的作用。

 3. 细胞功能检测
为了评估ATP13A2对细胞的影响,研究团队采用了多种检测方法。他们使用碘化丙啶染料来识别死亡的细胞;通过TMRE染料观察线粒体的功能状态;利用ATP检测试剂盒测量细胞能量水平;并用MitoSOX试剂监测有害物质的积累。这些方法就像给细胞做全面体检,帮助研究人员了解细胞的健康状况。

 4. 分子运输追踪
研究人员创新性地使用了荧光标记技术来追踪精胺的运输。他们给精胺分子贴上荧光"标签",通过荧光显微镜观察这些分子在细胞中的运动和分布。这种方法就像给精胺装上了GPS定位系统,让研究人员能够实时跟踪它们的位置变化。

 5. 药物干预实验
为了验证研究发现,团队设计了一系列药物实验。他们使用鱼藤酮来损伤线粒体,添加抗氧化剂MitoTEMPO来保护线粒体,并使用DFMO药物来抑制细胞自身的多胺合成。通过这些药物干预实验,研究人员能够清楚地了解ATP13A2的保护机制。



研究结果




1. 线粒体功能受损
研究团队首先在SH-SY5Y细胞中发现,与对照组相比,ATP13A2敲低(kd)细胞对线粒体毒素鱼藤酮更加敏感,在1μM鱼藤酮处理24小时后,其细胞死亡率高达80%。相反,过表现ATP13A2(WT-OE)的细胞表现出显著的保护作用。此外,ATP13A2缺失还导致线粒体膜电位降低约50%,ATP产量显著减少。研究人员进一步在携带ATP13A2功能缺失突变(T512I和F851CfsX856)的患者成纤维细胞中验证了这一发现。这些患者细胞同样表现出对鱼藤酮的高度敏感性,且线粒体膜电位明显降低。这些结果表明ATP13A2在维持线粒体功能中发挥重要作用。


2. 活性氧水平升高
为了探究ATP13A2保护线粒体的机制,研究人员检测了活性氧水平。结果显示,ATP13A2 kd细胞在鱼藤酮处理后仅2小时就出现显著的线粒体源性活性氧(MitoROS)积累,是对照组的2-3倍。使用普通抗氧化剂NAC可部分降低活性氧水平,而线粒体靶向抗氧化剂MitoTEMPO则可完全消除ATP13A2 kd细胞中过量的活性氧。在患者成纤维细胞中也观察到类似现象,MitoTEMPO处理可将其活性氧水平降至正常水平。进一步研究发现,ATP13A2缺失导致的活性氧升高会激活ATF4应激反应通路,表现为ATF4、CHOP和HSP60蛋白表达上调。而MitoTEMPO处理可以阻断这一应激反应。


3. 多胺转运的关键作用
研究人员随后探究了ATP13A2发挥保护作用的具体机制。实验证实,ATP13A2的转运功能对降低活性氧至关重要,因为表达转运功能缺失的ATP13A2突变体(D508N-OE)无法降低活性氧水平。外源性添加1μM精胺可以完全消除对照组中鱼藤酮诱导的活性氧升高,但对ATP13A2缺失细胞无效。当用DFMO抑制细胞内源性多胺合成时,ATP13A2缺失细胞表现出更高的活性氧水平和更强的ATF4应激反应。代谢组学分析显示,ATP13A2功能缺失导致细胞内多胺(包括精胺、亚精胺和腐胺)含量显著降低。通过荧光标记精胺追踪实验,研究人员发现ATP13A2可以促进精胺向线粒体转运,在ATP13A2功能正常的细胞中,线粒体中的精胺含量明显高于功能缺失细胞。


4. 进化保守性验证
为了验证ATP13A2的功能在进化上是否保守,研究人员转向秀丽隐杆线虫模型。结果显示,ATP13A2同源基因catp-6缺失的线虫对鱼藤酮更加敏感,基础状态下就表现出线粒体膜电位降低和活性氧升高。这些表型可以通过表达野生型catp-6得到挽救,但表达功能缺失的突变体则无效。与人类细胞类似,线虫中也存在依赖于ATF4同源基因atfs-1的应激反应。这些结果证实了ATP13A2通过调控多胺代谢保护线粒体的机制在进化上是保守的。




总结




这项研究阐明了ATP13A2通过调控溶酶体多胺外排来保护线粒体的机制,解释了ATP13A2功能缺失导致神经退行性疾病的分子机制,为相关疾病的治疗提供了新的靶点。

论文链接
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.1922342117

撰文|Coral
责编|Asher
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