Plos Biology | 王濤實驗室揭示內質網與線粒體之間磷脂酰絲氨酸轉運影響線粒體結構功能的機制

導讀 ?

Introduction

2024年12月17日，北京生命科學研究所/清華大學生物醫(yī)學交叉研究院王濤實驗室在Plos Biology雜志在線發(fā)表題為“SLMO transfers phosphatidylserine between the outer and inner mitochondrial membrane in Drosophila ”的研究論文。該文章發(fā)現在眾多磷脂中磷脂酰絲氨酸(PS)向磷脂酰乙醇胺(PE)轉變的故障會引發(fā)線粒體形態(tài)的異常，并且鑒定到線粒體膜間隙蛋白SLMO具有轉運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構的穩(wěn)定。細胞中的膜結構由磷脂雙分子層構成，不同細胞器的膜結構中不同磷脂的分布和占比都不盡相同。一旦這個比例被打破，勢必會對線粒體以及其他細胞器造成傷害。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)等等。大部分磷脂都需要在內質網中合成，然后被運送到內質網朝向細胞質一側的磷脂雙分子層上，再被以非囊泡依賴的形式運送到線粒體上。這其中有一個例外，PE的合成完全依賴于線粒體內膜上的PS被磷脂酰絲氨酸脫羧酶PISD催化生成，而這部分PS也是在內質網中合成之后被運送到線粒體中的。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構形態(tài)以及關于不同磷脂在內質網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胞中敲低各種磷脂合成的關鍵酶pcyt1,bbc,pect,pss,pisd,pis，驗證了敲低之后的轉錄水平以及對應磷脂的水平。發(fā)現只有pss和pisd的缺失會造成線粒體體積變小的表型。PSS是定位在內質網中由PC和PE生成PS的關鍵酶，而PISD是線粒體中的磷脂酰絲氨酸脫羧酶將PS轉化成PE。這說明PS和PE是維持線粒體形態(tài)正常的關鍵磷脂。

（圖1）

A，內質網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動能力的影響

由于線粒體中的PS完全來自于內質網，因此探究內質網和線粒體之間PS的運輸是非常重要的。通過之前的研究發(fā)現，在內質網中PE缺失的背景下過表達線粒體中的PISD可以回補其帶來的表型，這說明線粒體中的PE也可以被運回到內質網中，這個過程涉及到PS從內質網到線粒體以及PE返回內質網的整個環(huán)路。因此本研究利用這個系統(tǒng)構建了一個正向遺傳學篩選，希望找到參與PS和PE轉運的關鍵蛋白。經過篩選鑒定到slmo的敲低可以抑制PISD過表達對內質網PE缺失的回補。而在飛行肌中敲低slmo同樣也會引起線粒體變小的表型。遺傳學實驗證明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驗，發(fā)現SLMO定位于線粒體的膜間隙。并且體外實驗證明SLMO的確有轉運PS的能力，T93與N150對于SLMO與PS的結合是十分重要的。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細胞中敲低SLMO2同樣也會引起線粒體提及的減小以及內嵴結構的異常，這說明了其功能的保守性。

(圖2）

圖2

SLMO缺失可以抑制線粒體與內質網之間PS/PE的交換

SLMO具有體外轉運PS的能力，T93和N150是結合PS的關鍵微位點

以上研究表明由PSS/SLMO/PISD介導的PS的轉運和PE的轉化對于維持線粒體以及細胞穩(wěn)態(tài)的關鍵作用。

王濤實驗室的博士生趙思文為本文的第一作者，其他作者包括清華大學博士后蔣旭光博士，以及博士生李寧，王濤博士為通訊作者。北京生命科學研究所影像中心、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本研究提供了重要支持。該項研究獲得科技部、國家自然科學基金委、北京市政府和清華大學資助，在北京生命科學研究所完成。

https://journals.plos.org/plosbiology/article?id=10.1371/journal.pbio.3002941