与线粒体高水平氧化代谢相偶联的未折叠蛋白响应(mito UPR)调控研究

Mitochondrial oxidative metabolism produces ATP as well as intermediate metabolites to meet the demands of both energy and signals for various cell behaviours, thus contributing to the functions of the organism. Therefore, how to maintain an efficient OXPHOS and mitochondrial homeostasis is among the most fundamental questions in biology. The mitochondrial proteostasis is regulated by mito UPR, which is crucial for the activities of the electron transport respiratory chain, mitochondrial health and even the cytosolic proteostasis. However, in mammals, the nature of the signal to trigger mito UPR, as well as its regulation and significance under physiological conditions still remain elusive. We have generated BAC transgenic mice expressing a MitoTimer reporter that are able to indicate mitochondrial functional status and turnover under physiological contexts and found the levels of OXPHOS was tightly coupled with mitoproteostasis. Furthermore, we also found that the master regulator of oxidative metabolism, PGC1 could drive the expression of multiple mito UPR genes coding for mitoproteases. Further work will focus on the cross-regulation of mito UPR, OXPHOS and the nutrient/energy sensing pathways and their physiological significance.

线粒体氧化代谢所产生的ATP和代谢中间物为各种细胞生理活动提供能量基础和信号分子，从而为机体的整体功能服务。因此，氧化代谢水平和稳态的调控是生物学的基本命题之一。线粒体蛋白的稳态维持受到线粒体未折叠蛋白应激响应（mito UPR) 的调控，对线粒体电子传递呼吸链活力、线粒体整体功能乃至细胞蛋白稳态都至关重要，但在生理条件下哺乳动物组织和细胞中线粒体UPR信号的来源、调控的机制及意义尚不明确。本项目的前期研究工作通过建立和分析反映线粒体功能及更新的MitoTimer小鼠以及细胞代谢模型，发现了生理条件下线粒体氧化代谢水平与其蛋白稳态和更新的直接偶联关系。其中，氧化代谢重要调控因子PGC1 可驱动多种线粒体UPR相关的蛋白水解酶编码基因的表达。进一步的工作将深入解析细胞线粒体UPR响应与线粒体氧化磷酸化、营养与能量感知通路之间的互作与调节机制及其相关的生理学意义。

线粒体功能和健康的维持与否是组织稳态维持、衰老以及多种疾病的病理过程的核心环节。但是，线粒体活跃状态的维持及其质量控制机制却很不清楚。一个线粒体基质定位的荧光报告蛋白MitoTimer具有随时间发生荧光光谱转换的特性（从“绿”到“红”）。以往的研究认为荧光偏绿的线粒体可能代表线粒体健康态，但其内涵还未阐明。通过建立MitoTimer转基因小鼠，我们发现肌纤维中MitoTimer的荧光光谱依赖于肌纤维的代谢状态，氧化型肌纤维的MitoTimer荧光明显偏绿。进一步的研究发现在高水平氧化代谢的条件下与能量相偶联的线粒体蛋白水解酶的活力升高，加速了MitoTimer以及呼吸链复合体亚基蛋白的降解与更新，是线粒体偏绿荧光光谱的主要决定机制。氧化代谢调控因子PGC1alpha以及抗衰老的小分子化合物也能够促进线粒体蛋白水解酶活性。有趣的是，具有偏绿线粒体的细胞氧化损伤处于较低水平，显示出良好的氧化还原状态。因此，我们发现了MitoTimer荧光可作为在体线粒体蛋白水解活性的探针，揭示了氧化代谢与线粒体蛋白稳态的高度偶联和调控机制，为深入研究维持活跃且较少氧化损伤的氧化代谢状态提供框架和支撑。