线粒体蛋白翻译缺陷触发心脏线粒体调控机制研究详解
2024-06-24 来源:本站 点击次数:985线粒体被称为细胞的动力源泉，是由细胞核DNA（nDNA）和线粒体DNA（mtDNA）共同编码的蛋白质构成的半自主细胞器。心肌细胞线粒体通过氧化磷酸化（OXPHOS）持续产生ATP对于维持心肌正常的功能至关重要。超过1000种nDNA编码的蛋白质定位于线粒体，而mtDNA编码10种以上的蛋白质，这些蛋白质都是线粒体氧化磷酸化系统中参与电子传递链（ETC）的重要组成部分。其中负责线粒体翻译的线粒体核糖体蛋白（MRPs）由nDNA编码，由胞质核糖体翻译，然后转运到线粒体。人类MRP缺乏与心血管疾病、癌症、发育、神经退行性疾病、线粒体呼吸链疾病、肥胖和炎症性疾病有关；已有报道证实MRPS6、MRPS10和MRPS22水平降低与心脏疾病相关。线粒体核糖体蛋白MRPS5，是线粒体翻译机制的关键组成部分，在物种间高度保守；Mrps5突变影响线粒体核糖体翻译的准确性；Mrps5缺失也会导致发育缺陷，这些缺陷被认为是由能量（ATP）产生减少引起的；ATP库的减少将特别不利于具有高能量需求的器官如心脏和骨骼肌的发育。已有研究表明，心肌肥大影响线粒体的能量生成，但目前尚不清楚mtDNA的翻译机制是否在心肌肥大过程中受到影响，也尚未确定任何机制来解释线粒体中Mrps5依赖性蛋白质翻译如何能够转导心脏基因表达。为此，浙江大学及哈佛医学院/南佛罗里达大学科研工作者共同通讯在2023年Nature Communications发表题为《A defect in mitochondrial protein translation influences mitonuclear communication in the heart》的研究论文。
摘要：
该研究报告了Mrps5在心脏发育、病理性心脏肥大、心脏代谢和线粒体通讯中的关键作用。Mrps5缺乏症将导致线粒体数量减少、活性氧(ROS)产生增加和线粒体功能受损；Mrps5缺乏引起的线粒体功能障碍与心脏发育异常、病理性心脏肥大和心力衰竭联系起来。作者通过AAV9介导的基因治疗方式在Mrps5缺失的心脏中补充Mrps5的下游靶基因Klf15显著抑制心肌肥厚与心脏纤维化等病理进程，保护心脏功能。总之，这些研究数据揭示了心肌细胞中的线粒体核糖体翻译缺陷如何能够对心脏功能产生深远的生物学意义。
结果：
为了深入了解Mrps5在心脏发育过程中的功能，作者将Mrps5fl/fl小鼠（Mrps5基因敲除前的条件小鼠）与cTnTCre小鼠（特异性靶向心脏启动子肌钙蛋白T2表达Cre重组酶转基因小鼠）杂交，以产生早期心肌细胞特异性靶向Mrps5突变体Mrps5cKO；在三苯氧胺给药后的Mrps5cKO小鼠，
心脏中Mrps5会特异性消融。在Mrps5消融后8周至18周，作者对Mrps5cKO和对照Mrps5fl/fl小鼠心脏组织的心肌细胞进行了一系列透射电子显微镜（TEM）检查。在Mrps5消融后第8周，在Mrps5cKO和对照Mrps5fl/fl样品之间没有观察到心肌细胞线粒体形态学的明显差异；在Mrps5消融后第12周，Mrps5cKO小鼠心肌细胞线粒体嵴长度显著减少；心肌细胞大部分线粒体嵴在Mrps5消融的18周内消失。作者通过奥地利Oroboros高精度氧化磷酸化功能表征系统没有加药槽数量限制、样品无需贴壁处理及一次性深度表征线粒体氧化磷化各复合体的功能特点，测量了从Mrps5cKO和Mrps5fl/fl小鼠心脏组织中分离的心肌纤维的线粒体氧化磷酸化各个复合体的功能活性差异，发现它们在Mrps5消融后12周复合体I（添加PMG*+ADP底物后的OCR数值表征）、复合体II（添加Succ*底物后的OCR数值表征）、复合体IV（添加TMPD*+Asc*底物后的OCR数值表征）功能活性相对于Mrps5消融后8周开始降低，甚至在Mrps5消融后18周复合体I（添加PMG*+ADP底物后的OCR数值表征）、复合体II（添加Succ*底物后的OCR数值表征）功能活性相对于Mrps5消融后8周显著降低。【*备注：P: 丙酮酸（Pyruvate）、M: 苹果酸（Malate）、G: 谷氨酸（Glutamate）、琥珀酸（Succ）、2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇（TMPD）、抗坏血酸（Asc）】
心脏中Mrps5的缺失导致心脏肥大，表现为心脏本身的明显增大。Mrps5的缺失同时也导致了明显的线粒体功能障碍，为了更深入了解Mrps5在心脏功能的分子机制，作者在三苯氧胺诱导Mrps5消融12周后对Mrps5cKO和Mrps5fl/fll心脏进行了RNA测序分析及对Mrps5消融时下调的基因进行筛选，并且用成熟的AAV9基因递送系统将候选基因引入Mrps5cKO小鼠中观察是否可以挽救相关的心脏缺陷。发现Mrps5的下游靶基因Klf15过表达可以保护Mrps5cKO心脏的线粒体结构。在AAV9-Klf15/Mrps5cKO处理的心脏中，线粒体嵴结构得到改善，大部分保持完整，而对照AAV-Luci/Mrps5cKO处理的心脏显示线粒体嵴破坏。
讨论：
该研究揭示了线粒体自身编码蛋白翻译进程的关键调控MRPS5在心脏发育与生理功能中的重要作用。心肌细胞缺失MRPS5引起线粒体自身编码蛋白翻译进程停滞、线粒体结构破坏，导致线粒体氧化磷酸化代谢产能异常，心脏能量耗竭。同时MRPS5的缺失启动线粒体与细胞核的信号互作调控，通过调控代谢物L-phenylalanine与转录因子c-myc 轴，抑制下游核内关键靶基因Klf15表达。而Klf15表达下调影响支链氨基酸降解通路以及心肌肥厚等病理进程与心脏功能。该研究揭示了心肌中线粒体自身蛋白翻译机制缺陷触发线粒体与细胞核之间的级联网络调控，为线粒体缺陷型心肌病及心衰治疗提供了新的潜在靶标和理论基础。
参考文献：Feng Gao, et al. A defect in mitochondrial protein translation influences mitonuclear communication in the heart. Nature Communications , (2023)14:1595. https://doi.org/10.1038/s41467-023-37291-5.