撰文 | 咸姐
責編 | 兮
哺乳動物細胞的線粒體的一個重要功能是通過氧化磷酸化為細胞提供大部分的ATP，此外，線粒體可以整合各種代謝途徑，並通過這一過程產生用以合成細胞生物質能所需的中間產物，此外，線粒體還參與維持細胞質和線粒體基質中的Ca2+穩態和調節細胞凋亡，也可以產生活性氧作為生理信號分子，以及調節細胞器自身的運輸以糾正其在細胞內的定位等【1,2】。這些過程中的任何異常都可以導致線粒體功能障礙，而線粒體功能缺陷往往伴隨著一系列的病理症狀，比如以單基因線粒體疾病形式存在的先天性代謝缺陷【3】；比如常見病帕金森、2型糖尿病、癌症等中通常會出現線粒體功能障礙，雖然目前尚不清楚線粒體功能異常是這些疾病的起因還是病理結果【4】；再比如線粒體豐度和活性的下降是不同生物體衰老過程的標誌【5】等等。
線粒體缺陷導致的病理症狀具有多效性和異質性的特點，這也是目前線粒體功能障礙研究中一個主要的尚未解決的問題，其困難主要有以下幾點：首先，線粒體是一個高度複雜的細胞器，容納著許多相互連接的代謝途徑；其次，線粒體的作用機制常常與細胞內其他腔室的代謝和調節通路相耦合；第三，線粒體功能障礙可以激活應激反應，使得細胞在某些情況下可以緩衝毒性效應，但在其他情況下又是導致最終病理結果的重要因素；最後，細胞內存在的反饋循環將有助於確保能量和氧化還原動態平衡，以應對長期的壓力和自適應。很顯然，線粒體複雜的功能背後一定有著一個及其複雜的基因網絡的調控，只有了解了這個調控網絡，才能更好的了解線粒體功能障礙與疾病的關係，然而，這個網絡目前還尚未被完整的繪製出來。
近日，來自美國哈佛大學--麻省理工學院Broad研究所的Vamsi K. Mootha教授的研究團隊在Cell上在線發表題為「A Compendium of Genetic Modifiers of Mitochondrial Dysfunction Reveals Intra-organelle Buffering」的文章，使用一組線粒體抑制劑模擬細胞內獨特的、典型的「線粒體功能障礙」模式，結合全基因組CRISPR篩選，繪製了一張基因組級別的以線粒體生物學為中心的化學-基因相互作用圖譜，深入揭示了線粒體功能的調控網絡。
為了系統地揭示細胞內加重或抑制線粒體功能障礙的基因調控途徑，本文的研究人員在藥物敏感的背景下，使用靶向線粒體生理學上不同部分的7種小分子抑制劑處理細胞來模擬不同類型的線粒體功能障礙，結合全基因組CRISPR增殖篩選（圖1），三次重複實驗分析篩選出的191個差異表達的基因組成了這張化學-基因相互作用圖譜，並且這種線粒體內的相互作用是普遍存在的，本文研究者將這些相互作用分為兩大類：
1. 合成致病/致死基因。在191個基因中，有38個基因的缺失加重了至少一種線粒體抑制劑產生的生長缺陷，即加劇了線粒體功能障礙，要麼致病，要麼致死，故而得名。進一步的實驗證實，糖酵解相關基因PFKP、戊糖磷酸途徑相關基因G6PD的缺失加重了多種線粒體抑制劑的毒性，而防止脂質過氧化的基因GPX4缺失的致死作用被更進一步的證實是由線粒體功能障礙誘導的，以防止細胞鐵死亡，而線粒體內的GPX4的激活足以挽救合成致死相互作用，從而為線粒體在氧化磷酸化被抑制時成為脂質過氧化物積累和鐵死亡的重要場所提供了支持。
2. 緩衝相互作用基因。本文分析發現，有154個基因對藥物造成的線粒體功能障礙具有緩衝作用。這其中，有91個基因的敲除在初篩中沒有顯示出生長優勢，這一類基因缺失的效應在藥物存在時被減弱或者消除，被稱為上位緩衝（epistatic buffering，用來描述兩種有害基因破壞的非疊加效應）。而另外的63個基因，由於它們的缺失減輕了線粒體抑制劑的毒性生長效應而被稱為抑制因子，敲除這些基因可以真正減少或逆轉線粒體功能障礙造成的增殖缺陷。令人驚訝的是，大多數抑制因子是線粒體通路固有的以及編碼線粒體蛋白的基因。本文給出的一個典型的例子是，通過同時抑制線粒體複合體Ⅰ來減輕複合體Ⅴ的化學抑制帶來的缺陷，這主要是通過重新平衡氧化還原輔因子、增加還原性羧化反應以及促進糖酵解來實現的。這也提示我們細胞內存在著這樣一種矛盾，即某些形式的線粒體功能障礙可以用線粒體的其他位點的抑制劑來緩衝。
綜上所述，本文首次繪製了線粒體的化學-基因相互作用圖譜（圖2），提供了關於線粒體功能調節的途徑的新見解，對理解線粒體進化有非常基本的意義，同時有助於開發能夠特異性抑制不同類型線粒體功能障礙的新藥物靶點、推薦新的聯合用藥方式，也將有助於識別遺傳因素或組織特異性程序，進而可能有助於解釋線粒體疾病的外顯性和組織特異性，從而在多方面為生物醫學研究提供重要幫助。
原文連結：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.10.032
製版人： 小嫻子
參考文獻
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4. Vafai, S.B.,and Mootha, V.K. (2012). Mitochondrial disorders as windows into an ancientorganelle. Nature 491, 374–383.
5. Zahn, J.M.,Poosala, S., Owen, A.B.et al. (2007). AGEMAP: a gene expression database foraging in mice. PLoS Genet. 3, e201.