浙大学者绘制生命“暗物质”的“星空图”

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文字 | 柯溢能

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线粒体、溶酶体、内质网等多种细胞器组成的细胞内膜系统，高效支撑了机体的正常生理活动。细胞中独特的核酸、蛋白、代谢物质等生物分子组分支撑着各细胞器的独特生化反应及生理功能。人类基因组所转录的总RNA，非编码RNA所占比例高达98%，其在细胞中广泛存在功能大量未知堪称生命的“暗物质”。

如果把细胞比作浩瀚宇宙，那么细胞器就是宇宙星空中的繁星点点。如果要解开细胞器在重要细胞活动规律中的深邃奥秘，就需要深入解析细胞器的组分构成及其作用模式；其中，生命“暗物质”长非编码核糖核酸（LncRNA, Long non-coding RNA），对细胞稳态和疾病发生发挥重要的调控作用，其作为细胞器组分的分布规律并参与细胞调控的研究尚少。

近日，浙江大学生命科学学院林爱福研究员课题组，通过创建细胞器免疫亲和纯化体系，绘制了细胞器LncRNA图谱，并从中揭示了线粒体细胞器LncRNA在帮助细胞应对能源匮乏条件，介导柠檬酸循环（TCA）代谢区室解离中的重要调控作用，为研究人类疾病发生机理研究提供了崭新的视角。

这项工作进展近日刊发在国际知名期刊《自然·代谢》（Nature Metabolism），论文第一作者为浙江大学生命科学学院博士研究生桑凌杰、杨作臻及中山大学肿瘤防治中心鞠怀强副研究员。浙江大学生命科学学院林爱福研究员为该论文的通讯作者。

探明微观宇宙星体坐标图的“显微”体系

为什么多年来，一直难以系统地对各类LncRNA清晰定位，这是因为传统的生物学通过密度梯度离心等方法进行组分分离分辨率有限。由于各有膜细胞器及其他无膜细胞器等组分的沉降系数范围交叠，易产生不同细胞器组分间互相干扰，难以达到特定细胞器RNA组分的精确检测分辨率。

探索宇宙星体奥秘，需要测绘和把握天体系统的精准分布，再逐级锁定目标对其组成表征等进行研判。

如何探明星体的精确坐标定位？林爱福研究团队另辟蹊径，开发了基于免疫亲和纯化的细胞器纯化方案，将抗体免疫亲和纯化蛋白的方法，应用到纯化细胞器，通过抗体特异性抓取细胞器表面标志蛋白，在细胞匀浆液中将完整细胞器连带提取。将基于该免疫亲和纯化方案提取的各精准细胞器进行RNA提取及高通量RNA测序分析，林爱福研究团队绘制了细胞器LncRNA图谱，发现细胞器LncRNA约占总的5.2%，并揭示了其潜在参与所在细胞器相关功能的调控（图1）。

这个图谱为细胞器定位LncRNA的鉴定及研究提供了重要的线索及资源。“这就好像我们解密宇宙仰望星空，先把各类星座坐标分类，然后逐级聚焦，进一步对感兴趣的星体进行深入探索。”桑凌杰介绍。

浙江大学求是特聘教授、细胞器生物学专家刘伟教授评价道，这项工作提供了细胞器RNA系统鉴定的新技术，有效规避了细胞器间交叉污染及无膜亚细胞结构的串扰，充分保留了细胞器内部及表面的原生状态，对未来细胞器RNA研究提供了崭新视角。

线粒体星体里的奇妙世界

线粒体作为细胞的能量代谢中心，是细胞生长代谢所需能源的“发电厂”。而线粒体中的柠檬酸循环是其中的重要发电机组。过去科学家们便意认识到柠檬酸循环由一个个节点组成，柠檬酸循环各产物从上游依次传递到下游，代谢物质在各个反应节点的快速穿梭，伴随着产生大量NADH等能源物质。然而柠檬酸循环动态调控的分子机理尚待精确解析。

此次林爱福研究团队发现，线粒体中柠檬酸循环第一步代谢酶柠檬酸合酶（CS）与最后一步代谢酶苹果酸脱氢酶（MDH2）像项链一样扣在一起，CS与MHD2靠拢聚集形成代谢区室，促进了柠檬酸循环的可持续进行。

而线粒体LncRNAGAS5就像自然造物之“手”，在细胞面对能量物质匮乏时，进入并富集于线粒体，缓缓打开了代谢循环节点MDH2-CS的扣环，继而抑制了线粒体的“发电”功能。（图2）。“线粒体GAS5传递了细胞养料匮乏的信号，它的功能就像一个刹车，及时制止了无序的燃料发电过程。”桑凌杰说。

新的肿瘤报警器

肿瘤是威胁人类生命健康的重大疾病之一，肿瘤细胞的恶性增殖需要大量的生物物质能量供给，因此代谢重排是肿瘤进展的重要驱动因子。线粒体代谢为细胞提供了大量生物合成所需的碳架及能量，对肿瘤发生发展具有重要作用。因此，对肿瘤中线粒体代谢关键节点的研究将为肿瘤的诊断治疗提供新的靶点和策略。

通过肿瘤细胞实验、体内移植瘤实验、临床大样本分析，林爱福研究团队发现GAS5在乳腺癌组织中特异性低表达，而线粒体相关节点代谢酶在肿瘤组织中则特异性高表达。这印证了线粒体“发电厂”对肿瘤增殖的重要作用及GAS5的抑癌角色。

过表达GAS5显著抑制肿瘤中线粒体能量代谢节点的紧密“环扣”及肿瘤增殖，证实了线粒体TCA循环对肿瘤发生发展的重要支持作用。杨作臻介绍：“针对GAS5或可开发成为肿瘤的警报器，指示肿瘤的发生发展，为肿瘤临床诊断提供了新的潜在分子靶标。”

该研究得到国家自然科学基金委、浙江大学、浙江大学癌症研究院等各项目的大力支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s42255-020-00325-z

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编辑 | 罗芹 刘颖川

责任编辑 | 唐雨楠