ERAD——线粒体与内质网那点事

文章来源

2020年3月19日，密西根大学医学院的Ling Qi研究团队在Science上发表了题为Endoplasmic reticulum–associated degradation regulates mitochondrial dynamics in brownadipocytes的文章，阐述了棕色脂肪细胞中Sel1L可通过SigmaR1调控内质网蛋白质降解以维持线粒体与内质网之间关系的平衡以及线粒体功能的动态稳定

作者简介

Ling Qi， 密西根大学医学院分子和整合生理学系、内分泌与代谢病学系

背景介绍

细胞器生物膜间的接触与交流是维持细胞器稳定以及机体健康的关键。MAMs（内质网来源的线粒体相关膜）是保持线粒体动态变化以及功能稳定必不可少的生物膜。它代表着内质网与线粒体间的特殊联系，同时也是线粒体DNA合成和裂变以及钙交换和脂质生物合成的标记位点。然而细胞器间接触的机制和错误接触的生理后果仍不清楚。研究表明ERAD（内质网相关的降解）是一种保守的质量控制机制，可募集内质网蛋白用于胞质蛋白酶体降解。Sel1L-Hrd1蛋白复合物包含了从酵母到人的最保守形式的ERAD。研究发现Sel1L-Hrd1 ERAD对于基础的生理过程比如脂代谢、水平衡、食物摄入以及全身能量平衡是必不可少的一个生理机制。由于MAMs和ERAD均与内质网及线粒体相关，且都与代谢密切相关，两者间是否存在某种联系值得进一步探索。作者偶然发现Sel1L-/-棕色脂肪前体细胞的线粒体较Opal-/-细胞有所延长，因此推测在线粒体丰富的棕色脂肪组织中Sel1L可能发挥着重要的调控线粒体的作用，可作为肥胖的潜在治疗靶点。因此作者以此为基础进一步开展研究

主要发现

（1）Sel1L-/-棕色脂肪细胞的线粒体形态发生改变

在低温条件下，棕色脂肪组织（BAT）的线粒体会通过裂解的形式以加强呼吸作用和维持体温正常。作者以脂肪细胞特异性的Sel1L-/-小鼠（Sel1LAdipCre mice）为模型，用透射电子显微镜（TEM）在22℃和4℃条件下分别观察Sel1L-/-小鼠和Sel1Lf/f小鼠的BAT 6小时。结果发现在22℃环境下，两者的线粒体形态无明显不同。而在低温条件下，Sel1Lf/f小鼠的棕色脂肪细胞中的线粒体由于发生裂解而变小，Sel1L-/-小鼠的线粒体则反之增大且为多晶结构伴随着线粒体嵴结构的异常。作者为了排除白色脂肪组织（WAT）的影响构建了棕色脂肪细胞特异性的Sel1L-/-小鼠模型（Sel1LUCP1Cre mice），得到相同的实验结果，且用共聚焦显微镜得以证实。之后为了在3D水平进一步观察线粒体的形态变化，作者通过串行块面扫描电子显微镜（SBF-SEM）发现低温条件下Sel1L-/-BAT中的线粒体体积增大且为多晶结构的巨大线粒体。因此可推论在寒冷条件下，棕色脂肪细胞Sel1L的缺乏会导致多晶结构的巨大线粒体形成

（2）Sel1L调控内质网-线粒体间的接触

为了探究Sel1L缺陷是否会影响MAMs，作者通过BiP特异性免疫电子显微镜发现Sel1L-/-BAT的MAMs形成了更为靠近线粒体的来源于内质网的管状结构，且在低温条件下每个线粒体的MAMs数量增加。因此可认为低温条件下Sel1L-/-BAT中多晶结构的巨大线粒体是围绕着内质网小管（即MAMs？）形成的。为了进一步观察线粒体-内质网之间的结构联系，作者通过聚焦离子束扫描电子显微镜（FIB-SEM）在3D水平发现在许多U型线粒体中，沿着细胞器整个凹面有几个内质网小管。同时也发现低温条件下Sel1L-/-BAT中有内质网来源的小管穿透入巨大线粒体。因此可以推论在低温条件下Sel1L-/-BAT的线粒体-内质网之间的正常接触紊乱（即MAMs异常），而导致线粒体结构的异常

（3）Sel1L缺陷导致线粒体功能以及产热反应受损

作者发现低温条件下Sel1LAdipCre mice的线粒体耗氧率（OCR）较对照组下降，且分化的Sel1L-/-棕色脂肪细胞在响应NE刺激时呼吸不良。代谢组学分析发现三大主要代谢通路包括TCA循环、嘧啶及嘌呤代谢均发生较大变化，进一步提示线粒体功能受损。除了细胞实验，作者将Sel1LAdipCre小鼠、Sel1LUcp1Cre小鼠与WT小鼠在室温环境下进行低脂饮食喂养22周，发现小鼠的核心体温相似。而暴露于低温条件下6小时后，Sel1LAdipCre小鼠和Sel1LUcp1Cre小鼠的核心体温下降至26℃，BAT中的脂滴增大，提示脂代谢受损。因此可推论Sel1L缺陷导致线粒体功能以及产热反应受损，进而影响脂质代谢

（4）Sel1L通过Hrd1 ERAD影响线粒体结构和功能

已有研究报道Sel1L依赖Hrd1发挥作用，为了进一步验证这一结果，作者构建Hrd1UcpCre小鼠模型发现Hrd1的缺陷使得Sel1L蛋白稳定，且小鼠对寒冷敏感且BAT中脂滴增加。因此可推论Sel1L依赖于Hrd1 ERAD影响线粒体与内质网之间的接触

（5）Sel1L-Hrd1 ERAD通过SigmaR1调控内质网-线粒体间的接触和动力学

作者通过测量Sel1L-/-、Hrd-/-小鼠BAT的几种已知MAMs蛋白的蛋白水平，发现仅有SigmaR1水平增加。将Sel1L-/-小鼠的SigmaR1基因敲除后发现延长的线粒体恢复正常，且内质网-线粒体间的接触也得以恢复。因此可以推论SigmaR1介导Sel1L缺陷细胞中的线粒体过度融合，从而将Sel1L-Hrd1 ERAD与棕色脂肪细胞中的线粒体-内质网接触和线粒体动力学联系起来

领域贡献

作者通过TEM、SBF-SEM、FIB-SEM以及BiP-specific immunoelectron microscopy观察到Sel1L缺陷小鼠BAT的线粒体在低温条件下形态发生改变，并以此为切入点深入分析，发现低温条件下SigmaR1介导Sel1L缺陷的棕色脂肪细胞中的线粒体过度融合影响ERAD，使得线粒体功能受损和机体代谢紊乱。该发现对于代谢病研究具有较大的启发作用，可通过ERAD与内质网-线粒体间接触的关系找寻潜在的作用位点（除了SigmaR1）而治疗代谢疾病（尤其是肥胖）

存在问题及分析

在室温条件下Sel1L缺陷的棕色脂肪细胞与对照组无明显差异，而在低温条件下仅几个小时线粒体即发生显著的改变。其中存在几个疑问与展望（个人疑问）：

（1）迅速的环境改变如何启动SigmaR1表达的上调，是否存在其他分子的影响；

（2）当实验条件由室温转至低温条件仅几个小时后，作者便进行后续的细胞水平的实验。若观察时间延长，线粒体的形态是否会自行恢复，即Sel1L缺陷导致的低温敏感性是否为可逆；

（3）考虑到临床应用价值，如由于线粒体形态异常使得线粒体功能受损而导致肥胖者，其中ERAD是否发挥作用并具有作为治疗靶点的潜在可能性还需进一步探究

原文链接：https://science.sciencemag.org/content/368/6486/54