mTORC2介导的内质网－线粒体互作在心脏发育过程中的作用及调控机制

Using electron microscope, we observed wide-spread endoplasmic reticulum (ER)-mitochondrial contact to form mitochondrial associated ER membrane (MAM), suggesting that ER-mitochondrial communication and interaction may play a critical role in heart development. It is known that mTOR complex 2 (mTORC2) localizes in the MAM to regulate MAM formation and integrity. We deleted the core component of mTORC2, Rictor to markedly reduce the activity of mTORC2, and found severe heart defect and embryonic lethality. Deletion of Pdk1 in the right ventricle (RV) resulted in serious abnormal RV development, and hyper-activation of mTORC2. These results suggest that the change of mTORC2 activity may affect MAM formation and function leading to heart defect. In this proposal, we aim to investigate the relationship between MAM formation and heart development as well as the underlying regulatory mechanisms. The results to be obtained will help understand ER-mitochondrial interaction in the regulation of heart development.

我们利用电镜，观察到胚胎心肌细胞中存在广泛的内质网－线粒体接触，形成线粒体相关的内质网膜(mitochondrial associated ER membrane, MAM), 提示内质网－线粒体互作可能在心肌发育过程中起到重要作用。已知mTORC2复合物存在于MAM, 对MAM的形成及完整性发挥调控作用。我们在胚胎早期心脏中剔除mTORC2复合物的重要组成成分Rictor, 导致mTORC2活性显著降低，发现心脏发育出现异常，导致胚胎死亡。在小鼠右心室中剔除Pdk1, 发现右心室严重发育不良，mTORC2过度激活。这些结果提示mTORC2的活性改变，可能导致MAM形成及功能出现异常，影响心脏发育。在本申请中，我们拟对mTORC2介导的MAM形成与心脏发育的关系进行探讨，并阐述其中的调控机制，在细胞器互作水平阐述胚胎心脏发育的调控机理，为先天性心脏病的预防和治疗提供新的策略。

背景：mTORC2复合物位于线粒体-内质网接触点(MAM)。我们已发表的工作发现在心肌细胞中PDK1调控mTORC2活性。另外，我们利用电镜观察到胚胎心肌细胞中存在广泛的线粒体-内质网接触点。根据这些结果，我们提出科学假说：PDK1通过mTORC2调控MAM形成指导心肌细胞发育。主要研究内容：在本项目中拟利用心肌剔除Pdk1小鼠，研究线粒体-内质网接触点在心肌细胞发育和心脏功能发挥中的作用与调控机制。重要结果及关键数据：基因剔除小鼠出生后21天的心肌细胞中，线粒体成熟出现异常，仍然保持出生后7天的线粒体形状（细长），据此我们猜测剔除Pdk1后影响了心肌细胞线粒体的成熟，进而导致的心衰。接下来我们发现21天剔除小鼠的线粒体质量以及呼吸链蛋白的表达都明显降低；代谢质谱显示三羧酸循环的产物以及ATP的产生也显著降低；脂质组学显示脂肪酸和酰基肉碱的产生也是减少的。这些结果提示PDK1在出生后小鼠心肌细胞线粒体的成熟过程中发挥重要功能。进一步的研究发现剔除Pdk1导致线粒体分裂减少，而线粒体的自噬明显的增加。调控机制上可能是PDK1通过调控mTOR和AMPK信号通路进而指导线粒体的分裂和自噬，参与调控心肌细胞线粒体的成熟发育。科学意义：对出生后心肌细胞线粒体成熟的调控机制所在甚少，我们的研究结果揭示了新的调控机制。受此项目资助发表的文章有5篇。