线粒体LonP1蛋白酶介导的线粒体-内质网互作在心脏生理和病理功能中的调控作用及分子机制研究

In the cardiomyocytes, there are abundant amount of mitochondria and endoplasmic reticulum (ER) which involve in the regulation of myocardial physiology. The ATP-dependent LonP1 protease is specifically located in the matrix of mitochondria to degrade the mis-folded and damaged proteins, which controls the mitochondrial unfolded protein response (UPR-mt). To better understand the effects of UPR-mt in.heart function, we knocked out LonP1 protease in post-natal cardiomyocytes and identified cardiomyopathy in the mutant mice. Protein aggregates were revealed in the mitochondria of mutant cardiomyocytes in which the oxidative phosphorylation system (OXPHOS) is impaired. Our results indicated that aberrant mitochondrial dynamic change occurred leading to fragmentation in the mutant cardiomyocytes. Much more interestingly, we found that LonP1 deficiency caused ER functional change with substantially enhanced UPR-ER. Based on these findings, we propose a hypothesis that mitochondrial ATP-dependent LonP1 protease is a key protein to mediate the interaction between mitochondria and ER, and to regulate UPR-mt and UPR-ER in cardiomyocytes to maintain myocardial function. In this study, we aim to test this hypothesis and to investigate the regulatory molecular mechanisms of LonP1-mediated mitochondria-ER interaction. Moreover, we will study the function of this interaction in heart physiopathology to understand the process of certain heart diseases and uncover novel therapeutic strategies.

心肌细胞富含线粒体和内质网(ER)，它们参与心脏生理功能调控。研究表明线粒体与ER存在互作关系，但对调控互作的关键分子和机制知之甚少。LonP1主要定位于线粒体基质，主要功能是降解错误折叠及损伤的蛋白质，并参与线粒体非折叠蛋白反应(UPR-mt)调控。为深入研究LonP1在心脏生理功能中的作用，我们构建了心肌细胞中LonP1敲除小鼠模型，初步研究发现，LonP1缺失导致：①小鼠心功能受损；②线粒体出现异常蛋白质堆积，呼吸链功能明显降低；③线粒体动力学异常；④更为有趣的是ER非折叠蛋白反应（UPR-ER)明显增强，且UPR-ER先于UPR-mt发生。基于上述发现，我们提出假说：LonP1是介导线粒体-ER互作的一个关键分子，参与调控UPR-mt及UPR-ER，以维持正常心肌功能。本申请项目拟对这一假说进行探讨，系统阐述LonP1介导线粒体-ER互作的调控机制及在心脏生理病理功能中的作用机制。

LonP1蛋白酶主要定位于线粒体基质，负责降解线粒体基质中的异常蛋白。心肌细胞富含线粒体和内质网(ER)，对维护心脏正常生理功能非常重要。研究表明线粒体与ER存在互作，但对其调控互作的分子机制、互作障碍与疾病的关系还知之甚少。.在LonP1蛋白酶研究领域多年的工作基础上，本项目深入研究了LonP1蛋白酶调控ER未折叠反应（UPR-ER）、线粒体未折叠反应（UPR-mt）和线粒体与ER互作，以及在心脏生理病理功能中的作用。.我们的研究结果显示：①心肌细胞中LonP1蛋白酶缺失后，小鼠心肌重塑，表现为代偿性肥厚，随着小鼠心肌纤维化不断加重，心脏因失代偿而演变为扩张性心肌病，最终心衰死亡；② LonP1蛋白酶存在于小鼠心肌细胞线粒体相关的内质网膜(MAMs)，是MAMs的组成蛋白；③ LonP1蛋白酶缺失后，心肌细胞线粒体中大量异常蛋白不能被及时清除而发生聚集，导致线粒体酶复合物组装障碍及活性下降，呼吸链功能受损，从而损伤心肌细胞功能；④ LonP1蛋白酶缺失导致心肌细胞线粒体融合分裂不平衡，线粒体更多地趋向于片段化，线粒体正常功能发挥受影响，小鼠心脏功能受损；⑤ 心肌细胞中LonP1蛋白酶缺失后激活UPR-ER和UPR-mt、线粒体应激反应。意外的是：心肌细胞中LonP1蛋白酶缺失后，UPR-ER激活早于UPR-mt。因此，线粒体蛋白质量控制异常可能首先启动UPR-ER以应对由于LonP1蛋白酶缺失导致的异常蛋白聚集带来的压力，UPR-ER比UPR-mt更为敏感。LonP1蛋白酶缺失时，小鼠在早期（2周龄）时，UPR-ER、UPR-mt及线粒体应激反应尚未激活。4周龄时UPR-ER和线粒体应激反应均被激活，但UPR-mt尚未被激活。此外，UPR-ER、UPR-mt及线粒体应激反应一旦被激活，将会持续活化，导致小鼠心肌细胞代谢重编程异常，线粒体功能受损日益严重，最终心脏功能受损，发生心衰。 .本研究首次揭示了LonP1参与心肌细胞线粒体和ER互作调控，进而调控心脏功能的分子机制，且LonP1蛋白酶的缺失诱导心肌细胞UPR-ER要早于UPR-mt。我们将在后续的研究中通过构建心脏疾病模型及给予小鼠应激，进一步探讨LonP1蛋白酶与心衰的关系及其分子机制，探索预防和治疗人类心脏疾病的新靶点和新策略。