北大劉穎組封面文章揭示細胞非自主性的線粒體UPR新機制

BioArt按：2016年10月21日，北京大學分子醫學研究所劉穎研究組在Cell Research雜誌上以「Neuropeptide signals cell non-autonomous mitochondrial unfolded protein response」 為題揭示細胞非自主性的線粒體UPR新機制，該文還被選為封面文章於2016年11月8日見刊，另據悉，Cell Research還將針對該文發表評述性文章（RESEARCH HIGHLIGHTS）。該文從投稿到接受通過綠色通道僅用12天，為何？原因在於該文在投稿CR的第二天（9月8日），Cell在線發表了來自UC伯克利HHMI研究員Andrew Dillin教授課題組題為「Neuroendocrine Coordination of Mitochondrial Stress Signaling and Proteostasis」的相關文章（Andrew Dillin組今年的第四篇Cell），好玩是這篇Cell文章中劉穎研究員和CR的第一作者邵麗娃也有署名（見下圖），那麼是否意味著兩篇文章中Cell就一定比這篇Cell Research做得好呢？相信讀者讀完下面的解讀文章會有自己的判斷。

另，劉穎老師29歲從哈佛醫學院學成回國成為北京大學一名年輕的博導，去年9月份還參加了江蘇衛視的一檔益智攻擂節目《一站到底》，這位集美貌與才華於一身的女PI回國僅三年的時間就做出了一流的工作，令人嘆服。

論文解讀

文丨唐逸泉（劍橋MRC博後）

蛋白質作為組成細胞的基本單位之一，其準確的構象摺疊是其發揮生物學功能的基礎。細胞內負責維繫和保障蛋白質處於正確摺疊狀態的系統我們稱之為蛋白質穩態（proteostasis）系統。該系統包含一起發揮協同作用的多重調節機制，包括調節蛋白質的翻譯合成，分子伴侶輔助蛋白質正確摺疊，細胞自噬（今年的諾貝爾生理學獎發給了自噬研究）以及蛋白酶體介導的對於錯誤摺疊蛋白質的降解。Proteostasis的破壞會引起錯誤摺疊或者損傷的蛋白質在細胞中的大量聚集，導致細胞功能障礙，最終促進機體的衰老以及衰老相關疾病，例如帕金森氏症、阿爾茲海默症、亨廷頓氏舞蹈症等神經退行性疾病。

當細胞處於proteostasis破壞的壓力下，通常會有三類應對反應（cellular stress responses）來消除proteostasis破壞對細胞造成的不良影響，分別是：發生在細胞漿里的熱休克反應（heat shock response, HSR），發生在內質網裡的非摺疊蛋白反應（the unfolded protein responses in the endoplasmic reticulum, UPRER）和發生在線粒體里的非摺疊蛋白反應（the unfolded protein responses in the mitochondria, UPRmt）。這些應對反應通常都包含三個步驟：首先是proteostasis狀況好壞的檢測，一旦細胞里的分子檢測器（proteostasis detectors）檢測到了錯誤摺疊蛋白引起的細胞壓力（cellular stress），就進入了第二個步驟，即這些檢測器通過各種手段把這一信號傳遞到細胞核，引發最後一個步驟，即轉錄調控一些效應器（proteostasis effectors）基因的表達，來對細胞進行挽救或者乾脆壯士斷臂讓病入膏肓的細胞自殺了。 Proteostasis的維持對於幾乎所有生命體都是必需的，且很多時候其背後的調節機制在不同的物種間（從低等到高等）是高度相似和保守的，因此科學家們經常會利用一些構造相對簡單且容易培養和操作的低等模式生物來作為研究對象，揭示proteostasis調控的生物學奧秘。過去大家認為proteostasis的調控是一個細胞自發的（cell-autonomous）行為，因此很多關鍵性的發現都來自於單細胞模式生物酵母。比如今年獲得諾貝爾生理學獎的 「自噬」研究以及14年獲得「美國諾貝爾獎」拉斯科獎的「UPRER」研究，最早的突破性發現都是來自於對酵母的遺傳學研究。後來科學家們漸漸發現，錯誤摺疊蛋白引起的細胞損傷和疾病往往並不局限於某單一組織，且對於這些疾病發生髮展的干預和促進也往往依賴於不同細胞組織間的協調和溝通。因此，細胞間非自發性的（cell non-autonomous）proteostasis調控成了新的研究熱點。而對於這一方向的研究，單細胞真核生物酵母已經不能滿足要求，於是構造相對最為簡單且極易進行遺傳操作的多細胞模式生物秀麗隱桿線蟲（Caenorhabditis elegans, C. elegans）成為這類研究的新寵。

最近北京大學分子醫學所的劉穎教授課題組在自然出版社旗下英文期刊《Cell Research》上發表了利用線蟲作為研究載體揭示全新proteostasis調控機制的題為《Neuropeptide signals cell non-autonomous mitochondrial unfolded protein response》的論文。上文提過，細胞對於proteostasis遭到破壞的應對反應有三類：HSR, UPRER和UPRmt。劉穎課題組的研究主要集中在對發生在為細胞提供能量的線粒體里的UPRmt的cell non-autonomous調控。

2011年salk institute的霍華德休斯研究員（HHMI）Andrew Dillin實驗室（見下圖）首次在Cell上報道了抑制線蟲神經系統的呼吸鏈功能可以延長線蟲的壽命，並且可以引起線蟲腸子里的UPRmt。該論文推測線蟲的神經元發生UPRmt後，會釋放出一種未知的信號（他們命名為「mitokine」 ）傳遞到腸細胞，引起腸細胞的UPRmt。但是這種mitokine具體來自於哪種神經元，其分子身份（molecular identity）是什麼，如何傳遞信號到腸道引起腸細胞的UPRmt，依然不得而知。劉穎課題組的這篇最新論文對於前兩個問題給出了一定的答案。

首先是mitokine來自於什麼神經元？線蟲用於神經生物學研究的一大優勢在於其神經系統特別簡單（只有302個神經元），便於追蹤和操作。在劉穎課題組的這項最新研究中，他們利用由清華大學歐光朔課題組開發的針對線蟲的組織特異CRISPR基因敲除技術（2014年發表於Developmental Cell），在不同的神經元中特異性地敲除對於線粒體功能至關重要的spg-7基因來引起神經元內的UPRmt。spg-7是一個線粒體AAA+ protease，定位於線粒體內膜，在線粒體呼吸鏈蛋白成分的質量控制（quality control）以及線粒體核糖體合成中發揮關鍵性作用，過去已經有研究證明抑制spg-7表達會引起UPRmt。在經過一番對18種不同類型神經元內的spg-7基因特異性敲除篩選後，最終他們發現四類神經元內的spg-7基因敲除，其中包括三類化學感覺神經元ASK, AWA, AWC和一類中間神經元AIA，都足以引起腸細胞的UPRmt。有意思的是，ASK, AWA和AWC這三類感覺神經元過去都被報道會影響線蟲的壽命，而AIA則與這三類神經元都有化學突觸或者電突觸聯繫進而形成一個局部神經環路。

其次是mitokine的molecular identity是什麼？由於上文提到的劉穎課題組發現的四類參與cell non-autonomous UPRmt的神經元與腸細胞之間都沒有直接的化學突觸或者電突觸聯繫，因此劉穎課題組推測，神經元可能是通過釋放神經肽來對腸細胞的UPRmt進行調節。線蟲基因組包含至少122種神經肽基因，編碼超過250種神經肽（一個神經肽基因可以通過選擇性剪切形成多種mRNA異構體）。劉穎課題組對其中103種神經肽基因進行了神經元內特異性CRISPR基因敲除，發現了六種神經肽對於神經系統UPRmt引起的腸道UPRmt是必需的，而其中又有一種神經肽FLP-2功能似乎最為關鍵。劉穎課題組發現，僅僅在神經元內過表達flp-2，就能引起一定程度的腸細胞UPRmt，而且flp-2表達在之前發現的四類神經元中的AIA神經元內並發揮作用，這些結果提示很有可能AIA上游感覺神經元（ASK, AWA, AWC）或者AIA神經元內的UPRmt會引起AIA神經元FLP-2的釋放，進而引起腸道UPRmt的發生。不過從文章里的結果來看，單獨敲除六種神經肽（包括flp-2）任意一種或者破壞所有神經肽的加工處理環節（負責剪切神經肽的egl-3基因被突變破壞），都不足以完全消除神經系統UPRmt引起的腸道UPRmt，提示除神經肽外，另外一類突觸外傳遞（extrasynaptic volume transmission），單胺類遞質很可能也參與其中。無獨有偶，兩個月前，Andrew Dillin課題組（劉穎作為co-author）在Cell上發表題為《Neuroendocrine Coordination of Mitochondrial Stress Signaling and Proteostasis》的論文，揭示了五羥色胺（Serotonin or 5-hydroxytryptamine (5-HT)，單胺類遞質的其中一種）作為神經系統到腸道的cell non-autonomous UPRmt信號的傳遞者。好玩的是，可能是由於兩篇論文發現了兩種不同的傳遞機制，兩篇論文都沒有在文中把自己發現的信號傳遞分子（flp-2和serotonin）稱為mitokine。就兩篇論文質量來說，雖然Cell論文早發表了兩個月，且用了更時髦的cell non-autonomous UPRmt模型（Andrew Dillin用可以在人類身上引發亨廷頓氏舞蹈症的polyQ蛋白來引發線蟲神經元UPRmt），但是在關鍵性問題（mitokine來自於哪種神經元，它（們）是什麼，如何引起腸細胞UPRmt）的解答上，對於mitokine的來源，只簡單證明了是五羥色胺能神經元（serotonergic neurons，線蟲里已知有八類）。而劉穎課題組的Cell Research論文，雖然發表略晚於Cell論文，但在研究深度上和Dillin組的Cell論文或可一拼。

最後一個問題是mitokine(s)是如何引起腸細胞UPRmt？對於這一問題，兩篇論文雖然都還沒有進行解答，但相信兩個課題組肯定也都還在進行下一步的深入研究。目前已知的FLP-2受體叫FRPR-18，功能也幾乎未知，目前關於這兩個分子功能唯一的報道（除這篇之外）就是哈佛大學的Joshua Kaplan實驗室在今年八月份發表論文證明FLP-2和FRPR-18都可以促進線蟲在蛻皮時的昏睡期（lethargus phase，類似睡眠狀態）的覺醒，提示FLP-2介導的cell non-autonomous proteostasis調節可能也調節睡眠或者睡眠相關的發育。由於FRPR-18受體似乎並沒有表達在線蟲的腸細胞，對於FLP-2介導的cell non-autonomous UPRmt，有兩種可能機制：一是可能還存在其他的FLP-2受體（神經肽及其受體並非嚴格意義上一一對應，有時候一種神經肽能與幾種不同的受體都有較高的結合親和力，有時候一種神經肽受體也能結合幾種不同的神經肽），二是可能FLP-2並不直接作用於腸細胞。Cell Research論文顯示在線蟲腸細胞里過表達flp-2並不能引起腸細胞UPRmt（線蟲的腸細胞有一個節律性的排便程序defecation motor program，神經肽會以每45-50秒一次的頻率被釋放），提示很有可能是第二種機制。另外值得一提的是，flp-2也表達在ASI神經元里，而ASI神經元也被報道可以通過cell non-autonomous的形式促進卡路里限制食譜（最經典的長壽研究模型之一）引起的線蟲長壽，flp-2可能也在其中發揮信號傳遞的作用。

此外，這篇文章里還有一個發現也很重要，就是不同類型的線粒體抑制產生的效應是不一樣的，比如在神經細胞過表達KillerRed或是敲除spg-7都能誘導cell non-autonomous反應，但是過表達UCP-4卻只能激活cell autonomous UPRmt。儘管這個現象非常有意思，但是到目前為止還不能理解其原因。

Mitokine的概念不僅存在於低等模式生物，目前高等哺乳動物也被發現有類似的作用機制。fibroblast growth factor 21（Fgf21）激素已經被提名為哺乳動物的mitokine。在自噬缺陷引起的細胞內線粒體功能紊亂刺激下，Fgf21表達會升高，並且從肌肉釋放而作用於脂肪細胞，促進脂肪酸氧化和白色脂肪組織的棕色化。

Cell Research封面：神經細胞線粒體損傷後傳遞信號至其他組織激活細胞非自主性mitoUPR

劉穎研究員簡介

劉穎，2002-2006年就讀於南京大學生物化學系，獲理學學士學位；2006-2011 年留學美國德克薩斯大學西南醫學中心，獲生物化學博士學位。2011-2013年作為Helen Hay Whitney Research Fellow在美國麻省總醫院及哈佛大學醫學院從事博士後研究工作。於2013年底起任北京大學分子醫學研究所線粒體與衰老研究室主任（PI），北大－清華生命科學聯合中心研究員。2013年入選第五批「青年千人計劃」。早年主要從事RNAi分子機理的研究，近年致力於線粒體生物學研究。迄今已在Science，Nature以及Molecular Cell等權威雜誌發表第一作者論文。目前實驗室主要研究方向包括：1）線粒體監察的分子機制；2）線粒體監察在老年失活的原因；3）組織間相互作用引起線粒體監察機制激活的分子機制；4）細胞對於營養和能量感知的信號通路。

代表性成果：

（致謝：感謝唐逸泉博士對文章的精彩、深刻解讀！謝謝劉穎老師的支持！）

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