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    斑馬魚模型揭示遺傳性線粒體疾病新致病機制
    2021-08-03

    斑馬魚模型揭示遺傳性線粒體疾病新致病機制

    2020年11月23日,加州大學舊金山分校Gladstone 研究所Philipp Gut和Eric Verdin課題組、Buck老齡化研究所Birgit Schilling課題組、芬蘭赫爾辛基大學Anu Suomalainen課題組合作在Nature Communications上在線發表了題為《SUCLA2 mutations cause global protein succinylation contributing to the pathomechanism of a hereditary mitochondrial disease》的研究論文,提出SUCLA2基因突變導致SCL缺乏,引起細胞內琥珀酰輔酶A積聚,進而引起全面的蛋白質過度?;?,影響蛋白質的翻譯后修飾過程,從而導致線粒體功能損傷的病理機制。此項工作中,研究人員采用斑馬魚模型揭示了SIRT5基因對蛋白琥珀?;^程的調節作用,這一機制的發現將有助于該疾病治療方法的開發。

    線粒體內多種?;o酶A是蛋白質修飾和損傷的重要參與者。琥珀酰輔酶A連接酶(Succinyl-CoA ligase,SCL)缺乏是一種線粒體DNA耗竭綜合癥(OMIM#612073,#245400),患者表現出腦肌病特征。目前已報導超過20名患者攜帶SUCLG1(編碼SCL α-亞基)突變,50名患者攜帶SUCLA2(編碼ATP-特異性β-亞基)突變。攜帶SUCLA2突變的患者通常表現為兒童早期進行性腦肌病,包括張力減退、肌張力障礙和感音神經性耳聾。目前,SCL缺乏導致線粒體腦肌病的病理機制仍然未知。


    研究者首先分析了攜帶SUCLA2突變的SCL缺乏患者體內的整體蛋白質琥珀?;剑▓D1)。利用非靶向代謝組學分析患者和對照組的成纖維細胞樣本后,發現患者的琥珀酰輔酶 A水平顯著上升。同時,SDS-PAGE和western blot結果顯示患者的整體蛋白質琥珀?;潭雀?。這一結果表明SCL缺乏導致整體蛋白質過度琥珀?;?。


    圖1

    SCL缺乏導致整體蛋白質過度琥珀?;?/p>


    接下來,通過對賴氨酸琥珀?;悬c的蛋白組學分析,研究者在SUCLA2突變患者樣本中檢測到了更多的賴氨酸琥珀?;稽c(圖2)。GO(Gene Ontology)富集分析顯示參與三羧酸循環(Tricarboxylic acid cycle, TCA cycle)的蛋白質賴氨酸琥珀?;稽c富集程度最高,除此之外還包括ATP生物合成、丙酮酸代謝和β-氧化等代謝途徑中參與線粒體能量生產的蛋白質。這表明SCL缺乏導致高水平的琥珀酰輔酶A產生,琥珀酰輔酶A又通過賴氨酸琥珀?;绊懖煌毎緩街械牡鞍踪|。

    圖2

     賴氨酸琥珀?;牡鞍捉M學分析


    研究者還發現SUCLA2突變患者成纖維細胞模型中病理性琥珀?;牡鞍踪|與Sirt5缺失小鼠模型中被顯著調控的蛋白質大量重疊。為了探究SIRT5是否具有調節蛋白琥珀?;墓δ?,研究者利用CRISPR/Cas9基因編輯技術在斑馬魚上進行了sirt5基因的功能研究。研究者首先建立了SCL缺乏斑馬魚模型(sucla2-/-),在此基礎上分別建立sirt5功能缺失模型(sirt5-/-)和功能獲得模型Tg(ubi:sirt5)。實驗結果顯示,僅sirt5功能缺失在幼魚期不會導致蛋白的過度琥珀?;?,而sirt5和sucla2的共同缺失則會顯著增加蛋白琥珀?;?,sirt5的功能獲得模型可以部分減弱蛋白的過度琥珀?;潭龋▓D3)。這表明sirt5是病理性蛋白琥珀?;^程的調節基因。


    圖3

    SCL缺乏斑馬魚模型中,sirt5基因調控整體蛋白質琥珀?;?/p>

    為了解sirt5基因功能對SCL缺乏斑馬魚模型個體生存的影響,研究者測定了幼魚的耗氧率(Oxygen consumption rate, OCR),發現sirt5基因過表達不能恢復線粒體DNA含量,但可顯著提高sucla2缺失斑馬魚的OCR,并提高存活率(圖4)。


    圖4

     SCL缺乏斑馬魚模型中,sirt5基因過表達可恢復幼魚氧化代謝水平并提高存活率

    綜上所述,琥珀酰輔酶A在攜帶SUCLA2突變的SCL缺乏患者的細胞中積累,導致整體蛋白質的過度琥珀?;?,而sirt5功能增益可明顯緩解SCL缺乏斑馬魚的蛋白過度琥珀?;?,恢復氧化代謝水平,提高整體生存率。


    原文鏈接:https://doi.org/10.1038/s41467-020-19743-4


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