Plos Biology | 王涛实验室揭示内质网与线粒体之间磷脂酰丝氨酸转运影响线粒体结构功能的机制

导读 ⭐

Introduction

2024年12月17日，北京生命科学研究所/清华大学生物医学交叉研究院王涛实验室在Plos Biology杂志在线发表题为“SLMO transfers phosphatidylserine between the outer and inner mitochondrial membrane in Drosophila ”的研究论文。该文章发现在众多磷脂中磷脂酰丝氨酸(PS)向磷脂酰乙醇胺(PE)转变的故障会引发线粒体形态的异常，并且鉴定到线粒体膜间隙蛋白SLMO具有转运磷脂酰丝氨酸的能力，证明了由PSS/SLMO/PISD参与完成的PS/PE环路对线粒体稳态的重要性。

线粒体作为细胞中重要的能量供给来源，其活性很大程度上依赖于其膜结构的稳定。细胞中的膜结构由磷脂双分子层构成，不同细胞器的膜结构中不同磷脂的分布和占比都不尽相同。一旦这个比例被打破，势必会对线粒体以及其他细胞器造成伤害。常见的磷脂包括磷脂酰胆碱(PC)，磷脂酰乙醇胺，磷脂酰丝氨酸，磷脂酰肌醇(PI)等等。大部分磷脂都需要在内质网中合成，然后被运送到内质网朝向细胞质一侧的磷脂双分子层上，再被以非囊泡依赖的形式运送到线粒体上。这其中有一个例外，PE的合成完全依赖于线粒体内膜上的PS被磷脂酰丝氨酸脱羧酶PISD催化生成，而这部分PS也是在内质网中合成之后被运送到线粒体中的。组成线粒体双层膜的两种大量磷脂是PC和PE，其余磷脂如PI,PS，磷脂酸(PA)和心磷脂(CL)都属于少数磷脂，但是每一种磷脂的功能都不可替代。目前对于哪一种磷脂对于维持线粒体基本结构形态以及关于不同磷脂在内质网和线粒体之间的穿梭还尚不清楚。

本研究以果蝇为模型，首先在果蝇的飞行肌细胞中敲低各种磷脂合成的关键酶pcyt1,bbc,pect,pss,pisd,pis，验证了敲低之后的转录水平以及对应磷脂的水平。发现只有pss和pisd的缺失会造成线粒体体积变小的表型。PSS是定位在内质网中由PC和PE生成PS的关键酶，而PISD是线粒体中的磷脂酰丝氨酸脱羧酶将PS转化成PE。这说明PS和PE是维持线粒体形态正常的关键磷脂。

（图1）

A，内质网和线粒体中常见磷脂合成代谢通路；

B，C，敲低不同磷脂代谢酶对线粒体和果蝇运动能力的影响

由于线粒体中的PS完全来自于内质网，因此探究内质网和线粒体之间PS的运输是非常重要的。通过之前的研究发现，在内质网中PE缺失的背景下过表达线粒体中的PISD可以回补其带来的表型，这说明线粒体中的PE也可以被运回到内质网中，这个过程涉及到PS从内质网到线粒体以及PE返回内质网的整个环路。因此本研究利用这个系统构建了一个正向遗传学筛选，希望找到参与PS和PE转运的关键蛋白。经过筛选鉴定到slmo的敲低可以抑制PISD过表达对内质网PE缺失的回补。而在飞行肌中敲低slmo同样也会引起线粒体变小的表型。遗传学实验证明SLMO的作用位于PSS的下游而在PISD的上游。通过免疫荧光染色以及其他生化实验，发现SLMO定位于线粒体的膜间隙。并且体外实验证明SLMO的确有转运PS的能力，T93与N150对于SLMO与PS的结合是十分重要的。与酵母中的研究不同，SLMO的功能在果蝇体系中并不需要所谓的辅助因子dTRIAP1/2。SLMO的人源同源蛋白叫做SLMO2，在Hela细胞中敲低SLMO2同样也会引起线粒体提及的减小以及内嵴结构的异常，这说明了其功能的保守性。

(图2）

图2

SLMO缺失可以抑制线粒体与内质网之间PS/PE的交换

SLMO具有体外转运PS的能力，T93和N150是结合PS的关键微位点

以上研究表明由PSS/SLMO/PISD介导的PS的转运和PE的转化对于维持线粒体以及细胞稳态的关键作用。

王涛实验室的博士生赵思文为本文的第一作者，其他作者包括清华大学博士后蒋旭光博士，以及博士生李宁，王涛博士为通讯作者。北京生命科学研究所影像中心、电镜中心、核酸测序中心、代谢中心以及中科院遗传与发育研究所的电镜中心为本研究提供了重要支持。该项研究获得科技部、国家自然科学基金委、北京市政府和清华大学资助，在北京生命科学研究所完成。

https://journals.plos.org/plosbiology/article?id=10.1371/journal.pbio.3002941