Nature Cell Biology：多组学视角揭秘甘油三酯动员如何为线粒体“抗压”赋能

 研究背景：

线粒体是多种代谢、生物合成和信号传导过程的场所。即使是线粒体功能的中度破坏也可能导致广泛的细胞后果。明确细胞适应和克服线粒体应激的机制可能是治疗线粒体功能障碍相关疾病的关键。

在应激条件下恢复线粒体功能的细胞反应途径仍然是一个活跃的研究领域。先前的研究极大地提高了对线粒体应激相关反应的理解，但这些研究通常使用单一和严重的扰动来进行，可能掩盖了应激严重程度梯度上重要的微妙反应。此外，之前的研究主要集中在蛋白质和基因上，忽略了脂质和代谢物的作用。因此该研究对酿酒酵母进行了一系列的化学和遗传扰动，并使用深度多组学质谱分析了细胞反应。

多组学数据筛选确定克服线粒体功能障碍的菌株

为了进一步研究与第3组菌株线粒体应激恢复相关的途径，研究人员检查了将不同菌株区分开来的分子变化的多组学数据。这些组之间最显著的差异是第3组甘油三酯（TAG）显著降低。这些TAG丰度变化时没有其他脂类的显著变化，也没有总脂质丰度的总体下降。TAG水平的降低可能是由于TAG合成受损和/或TAG动员增加所致。研究人员使用[¹³C₁]油酸培养多西环素（DOX）处理的菌株1h，以标记新合成的TAG。结果表明，第3组菌株的TAG降低可能是通过TAG动员的增加而发生的，被释放的酰基可能被转移到其他脂质种类中。为了监测TAG衍生的酰基链的潜在去向，研究人员在WT细胞中，用[¹³C₁]油酸培养1h，随后用DOX或载体（DMSO）对照急性处理3h。与对照组相比，DOX处理的细胞表现出标记的心磷脂（CL）显著增加，未观察到标记的磷脂酰乙醇胺（PE）或磷脂酰胆碱（PC）的显著增加。这表明在线粒体应激之后，可用的酰基优先穿梭到新生的CL生物合成中，可能支持线粒体生物发生。研究人员构建了心磷脂合成酶Crd1p缺乏的酵母探究CL生物合成途径的破坏是否会影响线粒体功能障碍的有效恢复。CRD1的缺失导致CL的减少与CL前体磷脂酰甘油（PG）的显著增加同时发生，PG的增加并不能使该菌株像WT菌株一样有效地从DOX处理中恢复。这些结果表明，CL对于线粒体应激恢复至关重要，在第3组酵母菌株中观察到的CL增加是一种促进有效恢复的适应性反应。

线粒体应激恢复的酵母菌株调动TAG以促进心磷脂的生物合成

研究人员使用共聚焦显微镜观察了DOX处理过的荧光标记的酵母中细胞器的变化。脂滴的体积与线粒体的体积密切匹配，进一步表明脂肪动员在线粒体应激恢复中的作用，脂滴确实是耗尽的TAG的来源。基于此研究人员重新分析了蛋白质组学数据，并对所有检测的蛋白质、脂质和代谢物进行了相关性分析，结果发现部分表征的脂滴蛋白Pln1p与所有检测的TAG显著正相关。研究人员进一步证实过表达PLN1可以破坏在线粒体应激下观察到的TAG分解代谢。随后研究人员使用[¹³C₁]油酸示踪实验探究PLN1过表达对TAG分解代谢的影响，结果强调了脂滴衍生的TAG动员对线粒体应激恢复的重要性，在一定程度上受部分表征蛋白Pln1p的调节。

酵母中TAG分解代谢通过两种途径之一发生。研究最多的是TAG分子通过TAG脂肪酶Tgl3-5p在脂滴处逐渐脂解。第二种途径是脂噬，脂滴被液泡吞噬并迅速降解。为了确定观察到的细胞内TAG丰度下降的机制，研究人员针对两种途径构建了酵母缺失突变体进行分析，结果表明，Tgl3-5p驱动的脂肪分解是酵母细胞在线粒体应激后TAG分解代谢的主要途径。随后研究人员探究了脂解使细胞从线粒体应激中恢复中的作用，结果暗示了TAG的生物发生和随后的动员在克服线粒体应激中发挥的重要作用。TAG脂解的第二个潜在作用能为脂肪酸β氧化（FAO）提供燃料。研究人员通过敲除酰基辅酶A氧化酶基因POX1生成了一个FAO缺陷的酵母菌株。实验结果表明，FAO的增加并不支持线粒体应激恢复，并强调了新的脂质生物合成，如CL，对线粒体膜生物发生的重要性。

线粒体应激时TAG的动员需要tgl 脂肪酶

最后，研究人员探究在哺乳动物细胞是否也依赖于TAG动员来从线粒体应激中恢复。与酵母系统不同，DOX处理不会导致哺乳动物细胞线粒体蛋白的整体丢失，而是引起细胞核和mtDNA编码的OXPHOS亚基的特异性减少。与酵母菌株相似，这些线粒体蛋白随着时间的推移而恢复。研究人员敲除酵母TGL基因的哺乳动物功能同源基因ATGL进行测试，DOX处理对ATGL的敲除具有合成致死性，证实了在哺乳动物细胞中TAG动员克服线粒体应激的重要性。

TAG动员是哺乳动物细胞克服线粒体应激所必需的