Nature Cell Biology：定量亚细胞重建揭示脂质介导的细胞器间生物发生网络

2023年12月，ARC合成生物学卓越研究中心等单位的相关研究人员在《Nature Cell Biology》（IF: 21.3）上发表了题为“Quantitative subcellular reconstruction reveals a lipid mediated inter-organelle biogenesis network”的研究论文，揭示了细胞器之间的代谢和形态学相互作用。

亮点概述：

过氧化物酶体、高尔基体和内质网代谢的缺陷会破坏线粒体的结构和功能。
细胞器生物发生受损时，会引发统一的蛋白质组、脂质和糖蛋白稳态的全局变化。
补充烷基化甘油磷脂代谢途径的前体可挽救细胞器生物发生受损时引起的线粒体功能障碍。

研究背景：

哺乳动物细胞被膜结合的细胞器划分为功能域，目前对单个细胞器的功能已有很好的了解，但细胞器之间的分布和相互作用如何影响细胞和生物体的功能仍在深入研究中。线粒体是许多细胞过程的关键调节因子，包括能量转换、脂肪酸代谢、钙稳态和活性氧（ROS）代谢。线粒体已被证明与多种其他细胞器相互作用，线粒体和内质网（ER）之间的接触是迄今为止最具特征的细胞器间相互作用，在脂质合成和钙平衡中发挥作用。

除了代谢之外，线粒体的分裂和融合还依赖于磷脂酰乙醇胺从ER到线粒体的运输，而ER和线粒体是过氧化物酶体生物发生的关键驱动因素。线粒体、过氧化物酶体、高尔基体和ER都能交换脂肪酸，以便每个特定细胞器进行专门处理和随后使用。尽管这些过程表明细胞器间对细胞功能的依赖性，但这些相互联系的性质及其对细胞代谢的影响仍有待阐明。

研究人员首选对线粒体生物发生应激进行了全基因组筛选，并建立了过氧化物酶体、高尔基体和ER基因的敲除（KO）细胞系，这些基因对细胞器与线粒体的结合及其功能至关重要。随后，研究人员开发了一种聚焦离子束扫描电子显微镜（FIB-SEM）分析方法，用以生成细胞器形态的无偏、定量和完全可视化的图谱，该图谱可表征当细胞器的生物发生受到干扰时，细胞器膜形态和细胞器之间的相互作用的变化。在所有KO细胞中观察到最显著和统一的缺陷是线粒体的大小和形态的改变——由对照细胞中延伸的管状线粒体结构分解为较小的点状结构。此外，细胞器间通讯是由膜结合的囊泡驱动的，研究人员分析了囊泡的总的膜体积，发现它们与线粒体的相互作用在KO细胞系中减少。这些FIB-SEM数据表明，单个细胞器缺陷会导致全细胞范围内细胞器结构、相互作用和通讯的变化，从而定义了细胞器生物发生的相互依存性。

生物发生应激反应的全基因组筛选

FIB-SEM定量方法的工作流程

细胞器缺陷改变了细胞器间的相互作用和通讯

接着，研究人员进行了多组学分析。蛋白质组学数据表明，细胞器生物发生中的孤立缺陷会损害线粒体结构和功能，并在多个细胞器中诱导脂质代谢和翻译后修饰的常见蛋白质组变化。脂质组学分析发现，大多数KO细胞系的甘油酯显著降低，而甘油磷脂与对照细胞相比显著增加，表明在细胞器功能受损期间，脂质储存通过转化为甘油磷脂来重塑细胞和细胞器膜，或被线粒体用于在细胞器应激期间维持能量水平。烷基化甘油磷脂和β-氧化对膜流动性、重塑、动力学和细胞器间通讯很重要，它们在所有 KO 细胞中的减少通常会导致细胞器间相互作用和形态受损。

最后，研究人员用醚-甘油磷脂前体1-O-十六烷基-sn-甘油(16: O-AG)和1-O-十八烷基-sn-甘油(18: O-AG)处理细胞，发现补充这些前体的KO 细胞将网状线粒体网络恢复到与对照细胞相似的水平，表明烷基化脂质可用于拯救由过氧化物酶体、高尔基体或 ER 生物合成缺陷引起的线粒体碎裂。相对于对照细胞，所有 KO 细胞系的线粒体呼吸减少，而16: O-AG 处理显著挽救或改善了呼吸速率。