Cell Metab︱ 雌性生殖細胞線粒體DNA質量控制的獨特新機制

撰文 | 鹹姐

線粒體擁有自己的基因組(mtDNA),在生物體能量代謝中發揮著極其重要的功能。然而,與此同時,由於頻繁的複製錯誤和有限的修復,mtDNA又極易受高突變率的影響,這就使得mtDNA突變在體細胞組織中積累,導致嚴重的代謝疾病【1,2】。由於mtDNA是嚴格的母系遺傳,因此在雌性生殖細胞中存在防止有害mtDNA突變遺傳的機制至關重要,若非如此,積累的mtDNA突變最終會通過穆勒棘輪效應導致物種的滅絕。雌性生殖細胞如何避免將有害的mtDNA突變體從一代傳給下一代一直是生物學中物種存在的基本問題。目前的研究顯示,mtDNA不像核基因那樣經歷明顯的重組,而是一種保守的mtDNA質量控制機制作用於攜帶有害mtDNA的單個線粒體(即突變線粒體),以清除雌性生殖細胞中有害的mtDNA。但是,這種在生物學上具有基本重要性的生殖細胞mtDNA質量控制的工作機制仍知之甚少,迄今為止只發現了少數的幾個方面,mtDNA片段化後的質量控制如何進行也仍然是一個懸而未決的中心問題。毫無疑問,確定有害的mtDNA突變如何在生殖細胞中被消除具有廣泛的意義,因為如果能夠闡明其中機制,就很有可能能夠在體細胞組織中誘導其作為線粒體疾病患者的潛在治療方法。

近日,來自加拿大多倫多大學的Thomas R. Hurd團隊在Cell Metabolism線上發表題為Mitochondrial DNA quality control in the female germline requires a unique programmed mitophagy的文章,通過大規模的篩選,發現了一種獨特的程序性生殖系線粒體自噬(PGM),用於防止突變mtDNA在雌性果蠅生殖細胞中的遺傳,揭示了PGM的發生需要典型和非典型的線粒體自噬因子的參與,並且通過TORC1的調控而與減數分裂的起始發育偶聯。由此為生殖細胞mtDNA質量控制機制提供了實質性的新見解,並揭示了適用於跨物種、組織和疾病狀態的mtDNA質量控制的普遍策略。

為了深入了解生殖系mtDNA質量控制的機制,本文研究人員首先使用異質性黑腹果蠅模型(包括一個含有兩種有害突變的突變線粒體基因組和一個野生型線粒體基因組,並且突變的mtDNA可在雌性生殖系中被強烈而特異地選擇),在生殖細胞中特異性地驅動RNAi以進行RNAi篩選,並結合獨立的基因敲低(KD)驗證,結果顯示,mtDNA複製因子的KD可有效增強mtDNA質量控制,而線粒體自噬和自噬相關基因的KD則明顯抑制mtDNA質量控制。

既然mtDNA質量控制需要線粒體自噬因子,那麼線粒體自噬是否發生在已知發生mtDNA選擇的雌性生殖細胞中呢?研究人員利用線粒體自噬報告載體追蹤卵巢中的線粒體自噬活性,發現在早期卵子發生過程中就會發生大量線粒體自噬,而且這不是由突變mtDNA的存在誘導的,而是一個發育調節過程。同時,研究發現在早期卵子發生過程中線粒體總質量沒有明顯下降,表明強大的線粒體生物發生彌補了線粒體自噬造成的線粒體損失。值得一提的是,在卵子發生晚期或者是雄性早期生殖細胞中均幾乎沒有這種線粒體自噬現象發生,提示這一新發現的強大的程序性線粒體自噬是特定發生於雌性生殖細胞的卵子發生早期階段的,因此研究人員將其命名為程序性生殖細胞線粒體自噬(PGM)。

那麼,PGM精確的發生時間是哪個階段,它的發生是否與mtDNA質量控制的發生同時呢?在果蠅中,卵子發生始於生殖系幹細胞的不對稱分裂,產生一個子代細胞,該子代細胞經過4輪細胞分裂,形成2-、4-、8-、最終16-細胞包囊,並迅速進入減數分裂對生殖細胞發育的各個階段進行評估後,研究人員發現與幹細胞和2-、4-、8-細胞包囊相比,16-細胞包囊的線粒體自噬顯著增加,這種增加與16-細胞包囊中mtDNA質量控制的起始密切相關,提示mtDNA質量控制可能需要PGM,PGM與mtDNA質量控制在時間上耦合。進一步地,有絲分裂的進入由TORC1活性的下調起始,而結合RNAi篩選的結果,研究人員發現RNA結合蛋白Atx2既是PGM的必要調控因子,也是進入減數分裂時TORC1的新抑制因子,證實Atx2下調TORC1是PGM和mtDNA質量控制所必需的。此外,TORC1的另外另個負調控因子——TSC1/2和GATOR1複合體也被證實可在進入減數分裂時抑制TORC1並觸發PGM。給分別敲低了Atx2、TSC1或Nprl2的果蠅喂TORC1抑制劑雷帕黴素可恢復其PGM,表明Atx2、TSC1/2和GATOR1複合物通過抑制16-細胞生殖系包囊中的TORC1促進PGM;然而,在Atg1複合體(TORC1可通過直接磷酸化Atg1複合物抑制自噬)敲低的卵巢中,雷帕黴素的處理則無法恢復PGM,提示Atx2作用於Atg1複合物的上游。由此可見,Atx2是PGM的主誘導子,其與TSC1/2和GATOR1複合物一起抑制TORC1以協調mtDNA質量控制與減數分裂的進入。

為了揭示PGM的分子機制,並進一步證明PGM對mtDNA質量控制至關重要,研究人員隨後研究了在mtDNA質量控制篩選中發現的線粒體自噬和自噬因子是否對PGM也是必要的,結果證實線粒體自噬受體BNIP3、自噬因子Atg1複合體和Rack1對PGM和mtDNA質量控制均是必需因子,這也有力的說明了PGM是mtDNA質量控制所需的過程。除了參與線粒體自噬或自噬的基因,研究人員還鑑定出了4種新的與PGM密切相關的基因,其中轉運和高爾基組織11 (Tango11,人類線粒體裂變因子的同源基因) 的敲低可強烈阻斷PGM,實驗證實PGM的發生尤其需要線粒體裂變,表明PGM是以一種零碎的方式去除線粒體亞結構域,而不是以整體的方式去除整個線粒體。另外3個因子則都與mtDNA編碼蛋白的表達有關,它們的敲低都可阻斷PGM,表明PGM也需要線粒體翻譯。

綜上所述,

綜上所述,本文首次發現一種發生在雌性生殖細胞中的新的PGM途徑,它對保持mtDNA完整性和跨代物種適應性至關重要,並且出乎意料的證實它並不是由突變mtDNA的存在觸發的,而是由生殖細胞進入減數分裂時的發育線索觸發的。本研究不僅揭示了PGM發生的機制,也報告了對生殖細胞mtDNA質量控制至關重要的因素,並且指出對其的藥理學操作可促進mtDNA質量控制,這無疑為線粒體疾病的治療提供了潛在方向。

原文連結:

https://doi.org/10.1016/j.cmet.2022.10.005

製版人:十一

參考文獻

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.

相關文章

砷劑療法:「砒霜」抗癌再登 Cell 子刊

砷劑療法:「砒霜」抗癌再登 Cell 子刊

「砒霜」,是一種閃耀在世界歷史與文學作品中的物質,一直被認為是毒藥的代名詞。在古代,它廉價易得,急性中毒後又沒法搶救,因而被廣泛使用,可以說...