線粒體蛋白翻譯缺陷觸發(fā)心臟線粒體調(diào)控機制研究詳解

摘要：

該研究報告了Mrps5在心臟發(fā)育、病理性心臟肥大、心臟代謝和線粒體通訊中的關(guān)鍵作用。Mrps5缺乏癥將導(dǎo)致線粒體數(shù)量減少、活性氧(ROS)產(chǎn)生增加和線粒體功能受損；Mrps5缺乏引起的線粒體功能障礙與心臟發(fā)育異常、病理性心臟肥大和心力衰竭聯(lián)系起來。作者通過AAV9介導(dǎo)的基因治療方式在Mrps5缺失的心臟中補充Mrps5的下游靶基因Klf15顯著抑制心肌肥厚與心臟纖維化等病理進程，保護心臟功能。總之，這些研究數(shù)據(jù)揭示了心肌細胞中的線粒體核糖體翻譯缺陷如何能夠?qū)π呐K功能產(chǎn)生深遠的生物學(xué)意義。

結(jié)果：

為了深入了解Mrps5在心臟發(fā)育過程中的功能，作者將Mrps5fl/fl小鼠（Mrps5基因敲除前的條件小鼠）與cTnTCre小鼠（特異性靶向心臟啟動子肌鈣蛋白T2表達Cre重組酶轉(zhuǎn)基因小鼠）雜交，以產(chǎn)生早期心肌細胞特異性靶向Mrps5突變體Mrps5cKO；在三苯氧胺給藥后的Mrps5cKO小鼠，

心臟中Mrps5會特異性消融。在Mrps5消融后8周至18周，作者對Mrps5cKO和對照Mrps5fl/fl小鼠心臟組織的心肌細胞進行了一系列透射電子顯微鏡（TEM）檢查。在Mrps5消融后第8周，在Mrps5cKO和對照Mrps5fl/fl樣品之間沒有觀察到心肌細胞線粒體形態(tài)學(xué)的明顯差異；在Mrps5消融后第12周，Mrps5cKO小鼠心肌細胞線粒體嵴長度顯著減少；心肌細胞大部分線粒體嵴在Mrps5消融的18周內(nèi)消失。作者通過奧地利Oroboros高精度氧化磷酸化功能表征系統(tǒng)沒有加藥槽數(shù)量限制、樣品無需貼壁處理及一次性深度表征線粒體氧化磷化各復(fù)合體的功能特點，測量了從Mrps5cKO和Mrps5fl/fl小鼠心臟組織中分離的心肌纖維的線粒體氧化磷酸化各個復(fù)合體的功能活性差異，發(fā)現(xiàn)它們在Mrps5消融后12周復(fù)合體I（添加PMG*+ADP底物后的OCR數(shù)值表征）、復(fù)合體II（添加Succ*底物后的OCR數(shù)值表征）、復(fù)合體IV（添加TMPD*+Asc*底物后的OCR數(shù)值表征）功能活性相對于Mrps5消融后8周開始降低，甚至在Mrps5消融后18周復(fù)合體I（添加PMG*+ADP底物后的OCR數(shù)值表征）、復(fù)合體II（添加Succ*底物后的OCR數(shù)值表征）功能活性相對于Mrps5消融后8周顯著降低�！�*備注：P: 丙酮酸（Pyruvate）、M: 蘋果酸（Malate）、G: 谷氨酸（Glutamate）、琥珀酸（Succ）、2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇（TMPD）、抗壞血酸（Asc）】

心臟中Mrps5的缺失導(dǎo)致心臟肥大，表現(xiàn)為心臟本身的明顯增大。Mrps5的缺失同時也導(dǎo)致了明顯的線粒體功能障礙，為了更深入了解Mrps5在心臟功能的分子機制，作者在三苯氧胺誘導(dǎo)Mrps5消融12周后對Mrps5cKO和Mrps5fl/fll心臟進行了RNA測序分析及對Mrps5消融時下調(diào)的基因進行篩選，并且用成熟的AAV9基因遞送系統(tǒng)將候選基因引入Mrps5cKO小鼠中觀察是否可以挽救相關(guān)的心臟缺陷。發(fā)現(xiàn)Mrps5的下游靶基因Klf15過表達可以保護Mrps5cKO心臟的線粒體結(jié)構(gòu)。在AAV9-Klf15/Mrps5cKO處理的心臟中，線粒體嵴結(jié)構(gòu)得到改善，大部分保持完整，而對照AAV-Luci/Mrps5cKO處理的心臟顯示線粒體嵴破壞。

討論：

該研究揭示了線粒體自身編碼蛋白翻譯進程的關(guān)鍵調(diào)控MRPS5在心臟發(fā)育與生理功能中的重要作用。心肌細胞缺失MRPS5引起線粒體自身編碼蛋白翻譯進程停滯、線粒體結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致線粒體氧化磷酸化代謝產(chǎn)能異常，心臟能量耗竭。同時MRPS5的缺失啟動線粒體與細胞核的信號互作調(diào)控，通過調(diào)控代謝物L(fēng)-phenylalanine與轉(zhuǎn)錄因子c-myc 軸，抑制下游核內(nèi)關(guān)鍵靶基因Klf15表達。而Klf15表達下調(diào)影響支鏈氨基酸降解通路以及心肌肥厚等病理進程與心臟功能。該研究揭示了心肌中線粒體自身蛋白翻譯機制缺陷觸發(fā)線粒體與細胞核之間的級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)調(diào)控，為線粒體缺陷型心肌病及心衰治療提供了新的潛在靶標和理論基礎(chǔ)。

參考文獻：Feng Gao, et al. A defect in mitochondrial protein translation influences mitonuclear communication in the heart. Nature Communications , (2023)14:1595. https://doi.org/10.1038/s41467-023-37291-5.