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Cell Metab︱ 雌性生殖细胞线粒体DNA质量控制的独特新机制

线粒体拥有自己的基因组(mtDNA),在生物体能量代谢中发挥着极其重要的功能。然而,与此同时,由于频繁的复制错误和有限的修复,mtDNA又极易受高突变率的影响,这就使得mtDNA突变在体细胞组织中积累,导致严重的代谢疾病【1,2】。由于mtDNA是严格的母系遗传,因此在雌性生殖细胞中存在防止有害mtDNA突变遗传的机制至关重要,若非如此,积累的mtDNA突变最终会通过穆勒棘轮效应导致物种的灭绝。雌性生殖细胞如何避免将有害的mtDNA突变体从一代传给下一代一直是生物学中物种存在的基本问题。目前的研究显示,mtDNA不像核基因那样经历明显的重组,而是一种保守的mtDNA质量控制机制作用于携带有害mtDNA的单个线粒体(即突变线粒体),以清除雌性生殖细胞中有害的mtDNA。但是,这种在生物学上具有基本重要性的生殖细胞mtDNA质量控制的工作机制仍知之甚少,迄今为止只发现了少数的几个方面,mtDNA片段化后的质量控制如何进行也仍然是一个悬而未决的中心问题。毫无疑问,确定有害的mtDNA突变如何在生殖细胞中被消除具有广泛的意义,因为如果能够阐明其中机制,就很有可能能够在体细胞组织中诱导其作为线粒体疾病患者的潜在治疗方法。


近日,来自加拿大多伦多大学的Thomas R. Hurd团队在Cell Metabolism在线发表题为 Mitochondrial DNA quality control in the female germline requires a unique programmed mitophagy 的文章,通过大规模的筛选,发现了一种独特的程序性生殖系线粒体自噬PGM),用于防止突变mtDNA在雌性果蝇生殖细胞中的遗传,揭示了PGM的发生需要典型和非典型的线粒体自噬因子的参与,并且通过TORC1的调控而与减数分裂的起始发育偶联。由此为生殖细胞mtDNA质量控制机制提供了实质性的新见解,并揭示了适用于跨物种、组织和疾病状态的mtDNA质量控制的普遍策略。

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为了深入了解生殖系mtDNA质量控制的机制,本文研究人员首先使用异质性黑腹果蝇模型(包括一个含有两种有害突变的突变线粒体基因组和一个野生型线粒体基因组,并且突变的mtDNA可在雌性生殖系中被强烈而特异地选择),在生殖细胞中特异性地驱动RNAi以进行RNAi筛选,并结合独立的基因敲低(KD)验证,结果显示,mtDNA复制因子的KD可有效增强mtDNA质量控制,而线粒体自噬和自噬相关基因的KD则明显抑制mtDNA质量控制。

既然mtDNA质量控制需要线粒体自噬因子,那么线粒体自噬是否发生在已知发生mtDNA选择的雌性生殖细胞中呢?研究人员利用线粒体自噬报告载体追踪卵巢中的线粒体自噬活性,发现在早期卵子发生过程中就会发生大量线粒体自噬,而且这不是由突变mtDNA的存在诱导的,而是一个发育调节过程。同时,研究发现在早期卵子发生过程中线粒体总质量没有明显下降,表明强大的线粒体生物发生弥补了线粒体自噬造成的线粒体损失。值得一提的是,在卵子发生晚期或者是雄性早期生殖细胞中均几乎没有这种线粒体自噬现象发生,提示这一新发现的强大的程序性线粒体自噬是特定发生于雌性生殖细胞的卵子发生早期阶段的,因此研究人员将其命名为程序性生殖细胞线粒体自噬(PGM)

那么,PGM精确的发生时间是哪个阶段,它的发生是否与mtDNA质量控制的发生同时呢?在果蝇中,卵子发生始于生殖系干细胞的不对称分裂,产生一个子代细胞,该子代细胞经过4轮细胞分裂,形成2-、4-、8-、最终16-细胞包囊,并迅速进入减数分裂对生殖细胞发育的各个阶段进行评估后,研究人员发现与干细胞和2-、4-、8-细胞包囊相比,16-细胞包囊的线粒体自噬显著增加,这种增加与16-细胞包囊中mtDNA质量控制的起始密切相关,提示mtDNA质量控制可能需要PGM,PGM与mtDNA质量控制在时间上耦合。进一步地,有丝分裂的进入由TORC1活性的下调起始,而结合RNAi筛选的结果,研究人员发现RNA结合蛋白Atx2既是PGM的必要调控因子,也是进入减数分裂时TORC1的新抑制因子,证实Atx2下调TORC1是PGM和mtDNA质量控制所必需的。此外,TORC1的另外另个负调控因子——TSC1/2和GATOR1复合体也被证实可在进入减数分裂时抑制TORC1并触发PGM。给分别敲低了Atx2、TSC1或Nprl2的果蝇喂TORC1抑制剂雷帕霉素可恢复其PGM,表明Atx2、TSC1/2和GATOR1复合物通过抑制16-细胞生殖系包囊中的TORC1促进PGM;然而,在Atg1复合体(TORC1可通过直接磷酸化Atg1复合物抑制自噬)敲低的卵巢中,雷帕霉素的处理则无法恢复PGM,提示Atx2作用于Atg1复合物的上游。由此可见,Atx2是PGM的主诱导子,其与TSC1/2和GATOR1复合物一起抑制TORC1以协调mtDNA质量控制与减数分裂的进入。

为了揭示PGM的分子机制,并进一步证明PGM对mtDNA质量控制至关重要,研究人员随后研究了在mtDNA质量控制筛选中发现的线粒体自噬和自噬因子是否对PGM也是必要的,结果证实线粒体自噬受体BNIP3、自噬因子Atg1复合体和Rack1对PGM和mtDNA质量控制均是必需因子,这也有力的说明了PGM是mtDNA质量控制所需的过程。除了参与线粒体自噬或自噬的基因,研究人员还鉴定出了4种新的与PGM密切相关的基因,其中转运和高尔基组织11 (Tango11,人类线粒体裂变因子的同源基因) 的敲低可强烈阻断PGM,实验证实PGM的发生尤其需要线粒体裂变,表明PGM是以一种零碎的方式去除线粒体亚结构域,而不是以整体的方式去除整个线粒体。另外3个因子则都与mtDNA编码蛋白的表达有关,它们的敲低都可阻断PGM,表明PGM也需要线粒体翻译。

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综上所述,本文首次发现一种发生在雌性生殖细胞中的新的PGM途径,它对保持mtDNA完整性和跨代物种适应性至关重要,并且出乎意料的证实它并不是由突变mtDNA的存在触发的,而是由生殖细胞进入减数分裂时的发育线索触发的。本研究不仅揭示了PGM发生的机制,也报告了对生殖细胞mtDNA质量控制至关重要的因素,并且指出对其的药理学操作可促进mtDNA质量控制,这无疑为线粒体疾病的治疗提供了潜在方向。

原文链接:
https://doi.org/10.1016/j.cmet.2022.10.005




参考文献


1. DeBalsi, K.L., Hoff, K.E., and Copeland, W.C. (2017). Role of the mitochondrial DNA replication machinery in mitochondrial DNA mutagenesis, aging and agerelated diseases. Ageing Res. Rev. 33, 89–104.
2. Alexeyev, M., Shokolenko, I., Wilson, G., and Ledoux, S. (2013). The maintenance of mitochondrial DNA integrity — critical analysis and update. Cold Spring Harb. Perspect. Biol. 5, a012641.


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