线粒体自噬受体FUNDC1同时调节线粒体动态和线粒体自噬

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线粒体是细胞能量代谢的中心,同时也是细胞内自由基(Reactive oxygenspecies,ROS)产生中心和程序性细胞死亡调控中心1,2。为了保证正常线粒体的功能,其质量必须被密切监控3,4。线粒体自噬是线粒体质量控制的主要机制5,6,线粒体自噬能够使细胞去除受损伤的或者多余的线粒体,是一种选择性自噬。它需要线粒体和自噬通路之间的相互作用7,4,8。在哺乳细胞中线粒体自噬主要有两种途径:Parkin/PINK1途径17,18和线粒体自噬受体依赖的途径19。  线粒体是高度动态的细胞器,不断发生着融合和分裂。线粒体动态受到了dynamin家族中GTP酶的调节,包括DRP1,MFN1/2和OPA1。DRP1在线粒体分裂中发挥关键作用。该蛋白是一个细胞内胞浆分布的蛋白,在分裂过程中被募集到线粒体,促进线粒体的分裂。线粒体外膜融合受到GTPase蛋白MFN1和MFN2的调节,线粒体内膜融合受到定位在线粒体内膜的GTPase蛋白OPA1的调节16。线粒体的融合和分裂是受损伤的线粒体从线粒体网络中分离出来的一种重要机制。从线粒体网络中分离出来的受损伤的线粒体具有较低的膜电势,它可以与线粒体网络融合并恢复其膜电势。当分离的线粒体不能恢复膜电势时,就会通过线粒体自噬机制被清除。因此,线粒体融合分裂循环以及线粒体自噬都是线粒体质量控制的一部分20。  实验室前期工作发现,FUNDC1作为一个哺乳动物细胞中线粒体自噬的受体可以通过募集LC3到线粒体进而诱导线粒体自噬13。这种相互作用受到磷酸化调控。在正常情况下,FUNDC1在18位的酪氨酸被Src激酶磷酸化13,13位丝氨酸被CK2激酶磷酸化19。FUNDC1的磷酸化阻止了它与LC3的相互作用从而抑制了线粒体自噬。在线粒体膜电势降低或线粒体受损的情况下,磷酸酶PGAM5被激活,使FUNDC1的13位的丝氨酸去磷酸化,促进它与LC3的相互作用和线粒体自噬19。  主要研究了线粒体动态调控和线粒体自噬的相互关系。发现FUNDC1通过同时和线粒体内膜融合蛋白OPA1以及线粒体外膜的分裂蛋白DRP1的相互作用调控线粒体的融合分裂和线粒体自噬。FUNDC1通过它定位在胞浆内的1-50aa与DRP1相互作用,并将它募集到线粒体。缺少了线粒体分裂因子DRP1或者表达DRP1显性负效应的突变体DRP1-K38A能够抑制FUNDC1引起的线粒体破碎和线粒体自噬。有意义的是,发现线粒体融合过程也参与了FUNDC1介导的线粒体自噬。敲低FUNDC1能够促进线粒体融合的能力,并抑制线粒体应激例如selenite和FCCP处理引起的线粒体自噬。发现FUNDC1通过它的K70位点与内膜融合蛋白OPA1相互作用。将K70突变为K70A可以抑制它们之间的相互作用,而将K70位点突变为相似电负性的突变K70R则它们之间还具有相互作用。FUNDC1-K70A突变体能够引起更强的线粒体自噬。敲低OPA1也能够促进FUNDC1引起的线粒体自噬。这些结果提示OPA1与FUNDC1相互作用的缺失能够促进线粒体的分裂和线粒体自噬。线粒体应激例如selenite或者FCCP能够引起FUNDC1与OPA1相互作用减少,而与DRP1相互作用增加。FUNDC1与OPA1相作用的缺失促进了DRP1向线粒体的转位。同时,不与OPA1相互作用的突变体K70A也需要DRP1向线粒体的募集来行使其线粒体破碎和线粒体自噬的功能。此外,观察到在应激条件下,FUNDC1发生13位丝氨酸的去磷酸化,去磷酸化的FUNDC1能够减少与OPA1的相互作用并且增加与DRP1的相互作用。  实验结果提示FUNDC1通过相互作用将线粒体内外膜联系起来,通过同时调节线粒体的分裂和融合,继而调节了线粒体的自噬和线粒体的质量控制。
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