深度解读：北大刘颖组封面文章揭示细胞非自主性的线粒体UPR新机制

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深度解读：北大刘颖组封面文章揭示细胞非自主性的线粒体UPR新机制3 q6 a" [0 m8 r$ K/ d8 l- k
来源：BioArt / 作者： / 2016-11-146 |$ R, Y5 g; A# e
2016年10月21日，北京大学分子医学研究所刘颖研究组在Cell Research杂志上以“Neuropeptide signals cell non-autonomous mitochondrial unfolded protein response” 为题揭示细胞非自主性的线粒体UPR新机制，该文还被选为封面文章于2016年11月8日见刊，另据悉，Cell Research还将针对该文发表评述性文章（RESEARCH HIGHLIGHTS）。该文从投稿到接受通过绿色通道仅用12天，为何？原因在于该文在投稿CR的第二天（9月8日），Cell在线发表了来自UC伯克利HHMI研究员Andrew Dillin教授课题组题为“Neuroendocrine Coordination of Mitochondrial Stress Signaling and Proteostasis”的相关文章（Andrew Dillin组今年的第四篇Cell），好玩是这篇Cell文章中刘颖研究员和CR的第一作者邵丽娃也有署名（见下图），那么是否意味着两篇文章中Cell就一定比这篇Cell Research做得好呢？相信读者读完下面的解读文章会有自己的判断。- \& ]5 [& |. v$ |% V) c, [
另，刘颖老师29岁从哈佛医学院学成回国成为北京大学一名年轻的博导，去年9月份还参加了江苏卫视的一档益智攻擂节目《一站到底》，这位集美貌与才华于一身的女PI回国仅三年的时间就做出了一流的工作，令人叹服。4 P/ |$ p4 n, ]# g0 {1 r

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/ p. ?$ q5 s8 ~  y$ R$ d, A' g7 ^7 [3 H文丨唐逸泉（剑桥MRC博后）; p; ?  o( |2 S0 Y
蛋白质作为组成细胞的基本单位之一，其准确的构象折叠是其发挥生物学功能的基础。细胞内负责维系和保障蛋白质处于正确折叠状态的系统我们称之为蛋白质稳态（proteostasis）系统。该系统包含一起发挥协同作用的多重调节机制，包括调节蛋白质的翻译合成，分子伴侣辅助蛋白质正确折叠，细胞自噬（今年的诺贝尔生理学奖发给了自噬研究）以及蛋白酶体介导的对于错误折叠蛋白质的降解。Proteostasis的破坏会引起错误折叠或者损伤的蛋白质在细胞中的大量聚集，导致细胞功能障碍，最终促进机体的衰老以及衰老相关疾病，例如帕金森氏症、阿尔兹海默症、亨廷顿氏舞蹈症等神经退行性疾病。
7 n* I3 W2 k8 w' M9 O当细胞处于proteostasis破坏的压力下，通常会有三类应对反应（cellular stress responses）来消除proteostasis破坏对细胞造成的不良影响，分别是：发生在细胞浆里的热休克反应（heat shock response,  HSR），发生在内质网里的非折叠蛋白反应（the unfolded protein responses in the endoplasmic reticulum, UPRER）和发生在线粒体里的非折叠蛋白反应（the unfolded protein responses in the mitochondria, UPRmt）。这些应对反应通常都包含三个步骤：首先是proteostasis状况好坏的检测，一旦细胞里的分子检测器（proteostasis detectors）检测到了错误折叠蛋白引起的细胞压力（cellular stress），就进入了第二个步骤，即这些检测器通过各种手段把这一信号传递到细胞核，引发最后一个步骤，即转录调控一些效应器（proteostasis effectors）基因的表达，来对细胞进行挽救或者干脆壮士断臂让病入膏肓的细胞自杀了。 Proteostasis的维持对于几乎所有生命体都是必需的，且很多时候其背后的调节机制在不同的物种间（从低等到高等）是高度相似和保守的，因此科学家们经常会利用一些构造相对简单且容易培养和操作的低等模式生物来作为研究对象，揭示proteostasis调控的生物学奥秘。过去大家认为proteostasis的调控是一个细胞自发的（cell-autonomous）行为，因此很多关键性的发现都来自于单细胞模式生物酵母。比如今年获得诺贝尔生理学奖的 “自噬”研究以及14年获得“美国诺贝尔奖”拉斯科奖的“UPRER”研究，最早的突破性发现都是来自于对酵母的遗传学研究。后来科学家们渐渐发现，错误折叠蛋白引起的细胞损伤和疾病往往并不局限于某单一组织，且对于这些疾病发生发展的干预和促进也往往依赖于不同细胞组织间的协调和沟通。因此，细胞间非自发性的（cell non-autonomous）proteostasis调控成了新的研究热点。而对于这一方向的研究，单细胞真核生物酵母已经不能满足要求，于是构造相对最为简单且极易进行遗传操作的多细胞模式生物秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans, C. elegans）成为这类研究的新宠。
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最近北京大学分子医学所的刘颖教授课题组在自然出版社旗下英文期刊《Cell Research》上发表了利用线虫作为研究载体揭示全新proteostasis调控机制的题为《Neuropeptide signals cell non-autonomous mitochondrial unfolded protein response》的论文。上文提过，细胞对于proteostasis遭到破坏的应对反应有三类：HSR, UPRER和UPRmt。刘颖课题组的研究主要集中在对发生在为细胞提供能量的线粒体里的UPRmt的cell non-autonomous调控。
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2011年salk institute的霍华德休斯研究员（HHMI）Andrew Dillin实验室（见下图）首次在Cell上报道了抑制线虫神经系统的呼吸链功能可以延长线虫的寿命，并且可以引起线虫肠子里的UPRmt。该论文推测线虫的神经元发生UPRmt后，会释放出一种未知的信号（他们命名为“mitokine” ）传递到肠细胞，引起肠细胞的UPRmt。但是这种mitokine具体来自于哪种神经元，其分子身份（molecular identity）是什么，如何传递信号到肠道引起肠细胞的UPRmt，依然不得而知。刘颖课题组的这篇最新论文对于前两个问题给出了一定的答案。
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首先是mitokine来自于什么神经元？线虫用于神经生物学研究的一大优势在于其神经系统特别简单（只有302个神经元），便于追踪和操作。在刘颖课题组的这项最新研究中，他们利用由清华大学欧光朔课题组开发的针对线虫的组织特异CRISPR基因敲除技术（2014年发表于Developmental Cell），在不同的神经元中特异性地敲除对于线粒体功能至关重要的spg-7基因来引起神经元内的UPRmt。spg-7是一个线粒体AAA+ protease，定位于线粒体内膜，在线粒体呼吸链蛋白成分的质量控制（quality control）以及线粒体核糖体合成中发挥关键性作用，过去已经有研究证明抑制spg-7表达会引起UPRmt。在经过一番对18种不同类型神经元内的spg-7基因特异性敲除筛选后，最终他们发现四类神经元内的spg-7基因敲除，其中包括三类化学感觉神经元ASK, AWA, AWC和一类中间神经元AIA，都足以引起肠细胞的UPRmt。有意思的是，ASK, AWA和AWC这三类感觉神经元过去都被报道会影响线虫的寿命，而AIA则与这三类神经元都有化学突触或者电突触联系进而形成一个局部神经环路。% ~- |4 I6 d( ^( _

8 G$ Y  u2 f4 Q. f& k7 W, w% ]其次是mitokine的molecular identity是什么？由于上文提到的刘颖课题组发现的四类参与cell non-autonomous UPRmt的神经元与肠细胞之间都没有直接的化学突触或者电突触联系，因此刘颖课题组推测，神经元可能是通过释放神经肽来对肠细胞的UPRmt进行调节。线虫基因组包含至少122种神经肽基因，编码超过250种神经肽（一个神经肽基因可以通过选择性剪切形成多种mRNA异构体）。刘颖课题组对其中103种神经肽基因进行了神经元内特异性CRISPR基因敲除，发现了六种神经肽对于神经系统UPRmt引起的肠道UPRmt是必需的，而其中又有一种神经肽FLP-2功能似乎最为关键。刘颖课题组发现，仅仅在神经元内过表达flp-2，就能引起一定程度的肠细胞UPRmt，而且flp-2表达在之前发现的四类神经元中的AIA神经元内并发挥作用，这些结果提示很有可能AIA上游感觉神经元（ASK, AWA, AWC）或者AIA神经元内的UPRmt会引起AIA神经元FLP-2的释放，进而引起肠道UPRmt的发生。不过从文章里的结果来看，单独敲除六种神经肽（包括flp-2）任意一种或者破坏所有神经肽的加工处理环节（负责剪切神经肽的egl-3基因被突变破坏），都不足以完全消除神经系统UPRmt引起的肠道UPRmt，提示除神经肽外，另外一类突触外传递（extrasynaptic volume transmission），单胺类递质很可能也参与其中。无独有偶，两个月前，Andrew Dillin课题组（刘颖作为co-author）在Cell上发表题为《Neuroendocrine Coordination of Mitochondrial Stress Signaling and Proteostasis》的论文，揭示了五羟色胺（Serotonin or 5-hydroxytryptamine (5-HT)，单胺类递质的其中一种）作为神经系统到肠道的cell non-autonomous UPRmt信号的传递者。好玩的是，可能是由于两篇论文发现了两种不同的传递机制，两篇论文都没有在文中把自己发现的信号传递分子（flp-2和serotonin）称为mitokine。就两篇论文质量来说，虽然Cell论文早发表了两个月，且用了更时髦的cell non-autonomous UPRmt模型（Andrew Dillin用可以在人类身上引发亨廷顿氏舞蹈症的polyQ蛋白来引发线虫神经元UPRmt），但是在关键性问题（mitokine来自于哪种神经元，它（们）是什么，如何引起肠细胞UPRmt）的解答上，对于mitokine的来源，只简单证明了是五羟色胺能神经元（serotonergic neurons，线虫里已知有八类）。而刘颖课题组的Cell Research论文，虽然发表略晚于Cell论文，但在研究深度上和Dillin组的Cell论文或可一拼。& l6 U' r# H; g# l; {
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最后一个问题是mitokine(s)是如何引起肠细胞UPRmt？对于这一问题，两篇论文虽然都还没有进行解答，但相信两个课题组肯定也都还在进行下一步的深入研究。目前已知的FLP-2受体叫FRPR-18，功能也几乎未知，目前关于这两个分子功能唯一的报道（除这篇之外）就是哈佛大学的Joshua Kaplan实验室在今年八月份发表论文证明FLP-2和FRPR-18都可以促进线虫在蜕皮时的昏睡期（lethargus phase，类似睡眠状态）的觉醒，提示FLP-2介导的cell non-autonomous proteostasis调节可能也调节睡眠或者睡眠相关的发育。由于FRPR-18受体似乎并没有表达在线虫的肠细胞，对于FLP-2介导的cell non-autonomous UPRmt，有两种可能机制：一是可能还存在其他的FLP-2受体（神经肽及其受体并非严格意义上一一对应，有时候一种神经肽能与几种不同的受体都有较高的结合亲和力，有时候一种神经肽受体也能结合几种不同的神经肽），二是可能FLP-2并不直接作用于肠细胞。Cell Research论文显示在线虫肠细胞里过表达flp-2并不能引起肠细胞UPRmt（线虫的肠细胞有一个节律性的排便程序defecation motor program，神经肽会以每45-50秒一次的频率被释放），提示很有可能是第二种机制。另外值得一提的是，flp-2也表达在ASI神经元里，而ASI神经元也被报道可以通过cell non-autonomous的形式促进卡路里限制食谱（最经典的长寿研究模型之一）引起的线虫长寿，flp-2可能也在其中发挥信号传递的作用。: }5 z, W+ j6 {, N- _# P- _/ n
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此外，这篇文章里还有一个发现也很重要，就是不同类型的线粒体抑制产生的效应是不一样的，比如在神经细胞过表达KillerRed或是敲除spg-7都能诱导cell non-autonomous反应，但是过表达UCP-4却只能激活cell autonomous UPRmt。尽管这个现象非常有意思，但是到目前为止还不能理解其原因。, k8 D: ~8 r: E7 {6 o

) Q4 u2 s# l7 L6 R' i: M) QMitokine的概念不仅存在于低等模式生物，目前高等哺乳动物也被发现有类似的作用机制。fibroblast growth factor 21（Fgf21）激素已经被提名为哺乳动物的mitokine。在自噬缺陷引起的细胞内线粒体功能紊乱刺激下，Fgf21表达会升高，并且从肌肉释放而作用于脂肪细胞，促进脂肪酸氧化和白色脂肪组织的棕色化。) [" V+ V. Z- `, W- S
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& i) B5 L5 o) F: {$ x. r$ kCell Research封面：神经细胞线粒体损伤后传递信号至其他组织激活细胞非自主性mitoUPR: _- n  }$ z% k& N9 R
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刘颖研究员简介
! e+ a" m* H- P- F6 f  F1 m: s刘颖，2002-2006年就读于南京大学生物化学系，获理学学士学位；2006-2011 年留学美国德克萨斯大学西南医学中心，获生物化学博士学位。2011-2013年作为Helen Hay Whitney Research Fellow在美国麻省总医院及哈佛大学医学院从事博士后研究工作。于2013年底起任北京大学分子医学研究所线粒体与衰老研究室主任（PI），北大－清华生命科学联合中心研究员。2013年入选第五批“青年千人计划”。早年主要从事RNAi分子机理的研究，近年致力于线粒体生物学研究。迄今已在Science，Nature以及Molecular Cell等权威杂志发表第一作者论文。目前实验室主要研究方向包括：1）线粒体监察的分子机制；2）线粒体监察在老年失活的原因；3）组织间相互作用引起线粒体监察机制激活的分子机制；4）细胞对于营养和能量感知的信号通路。" t8 ^8 e6 v, d, \$ Q
代表性成果：8 V9 d! ~  J6 n8 z$ M3 T/ C$ N2 z

5 T) r' C: A3 j  d（致谢：感谢唐逸泉博士对文章的精彩、深刻解读！谢谢刘颖老师的支持！）5 z0 S2 p4 X; u( a
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