Nat Commun︱郭明团队发现线粒体分裂新机制和防治帕金森病新靶点
撰文︱杨欢，郭明
责编︱王思珍
随着医学进步与人均寿命不断增加，人类罹患与衰老相关的疾病，如帕金森病（Parkinson's Disease，PD）等神经退行性疾病的人数不断升高。通过建立PD的动物与细胞模型，进行致病机理与药物靶点的研发，近年来一直是基础与临床医学研究以及药物研发领域的热门话题之一。
加州大学洛杉矶分校神经内科与分子药理学系、加州纳米系统研究所的华人教授、医生郭明（Ming Guo, M.D., Ph.D.）团队通过建立敲除PD基因PINK1和parkin的果蝇模型，发现PINK1和parkin缺失造成的线粒体损伤是导致PD患病的关键分子通路[1]。在深入探索PINK1和parkin功能的后续研究中，郭明教授团队发现PINK1和parkin调控线粒体形态[2]，并结合果蝇模型与人类细胞模型，相继发现基因MUL1、VCP/p97、Atg1能够有效抑制PINK1和parkin缺失造成的线粒体损伤，从而为防治PD提供了多个潜力药物靶点[3-5]。
线粒体（mitochondria）作为人体细胞的“发电机”，除了为细胞提供能量，也在调控代谢和程序性细胞死亡过程中发挥关键作用。所以，维持线粒体的健康与正常的形态功能，对维持细胞内稳态、防治疾病发生、延缓衰老至关重要。线粒体的形态由两股相反的拉力共同调控：线粒体分裂（fission，一个线粒体一分为二）与线粒体融合（fusion，两个线粒体合二为一）。其中任何一股拉力出现问题，都会使线粒体的形态与功能失去平衡。失去平衡而受损的线粒体在细胞中积累，则会进一步引起细胞代谢失调、神经和肌肉等细胞的损伤甚至凋亡，从而造成帕金森病等神经退行性疾病的发生。PINK1和Parkin即是通过促进Mitofusin（Mfn，调控线粒体融合的核心蛋白）的降解、促进受损线粒体经由细胞自噬（mitophagy）通路清除来发挥其调控线粒体形态、维持线粒体健康、抑制PD的功能。
Drp1是调控线粒体分裂的核心蛋白，也是一种GTP水解酶。Drp1主要分布在细胞质中，而一旦响应细胞中促进线粒体分裂的信号，Drp1则会被位于线粒体上的受体蛋白招募到线粒体表面，随之聚合成环状结构环绕线粒体，并利用GTP水解过程中释放的能量将线粒体一分为二。然而， Drp1这一核心蛋白受到哪些信号通路和其他关键因子的调控，领域内尚且不明确，有很大的探索空间。
2022年3月24日，加州大学洛杉矶分校的郭明教授团队在Nature Communications上发表了题为“Clueless/CLUH regulates mitochondrial fission by promoting recruitment of Drp1 to mitochondria”的文章[6]。郭明教授为论文通讯作者，杨欢博士为论文第一作者。研究发现人类基因CLUH及其果蝇同源基因clueless能够通过调控负责线粒体分裂的核心因子Drp1，从而有效抑制PINK1和parkin缺失造成的线粒体和组织损伤。因此，CLUH同样有很大潜力成为防治帕金森病的新药物靶点。
作者发现，人类CLUH基因及其果蝇同源基因clueless在人类细胞系和果蝇模型中发挥着相同的作用，都能促进Drp1被受体招募到线粒体表面，进而促进线粒体分裂。重要的是，过表达CLUH/clueless形成的这股促进线粒体分裂的拉力，恰恰能够平衡并修复因PINK1和parkin缺失造成的Mfn降解受阻、线粒体形态的过分增大和线粒体损伤的积累，从而有效抑制因PINK1和parkin缺失造成的线粒体和组织损伤（图1-2）。在人类和果蝇细胞中，CLUH/clueless的缺失均造成线粒体明显增大（由于线粒体分裂减少，天平向线粒体融合一端倾斜），而CLUH/clueless的过表达均造成线粒体形态明显减小（由于线粒体分裂增加，天平向线粒体分裂一端倾斜）（图3）。
图1 过表达clueless能够有效修复由于PINK1或parkin缺失造成的线粒体与组织损伤
（图源：Yang H, et al., Nat Commun, 2022）
图2 clueless与PINK1-parkin的基因互作模型
（图源：Yang H, et al., Nat Commun, 2022）
图3 CLUH/clueless调控线粒体形态，促进线粒体分裂
（图源：Yang H, et al., Nat Commun, 2022）
尤其值得注意的是，CLUH/clueless本身是一个具有进化保守性、调节多项基础生命过程的重要基因。所以在果蝇模型中，clueless的缺失导致果蝇最多只能存活6天，而野生型果蝇的寿命可以超过3个月；当在有clueless缺失突变的果蝇中过表达drp1时，则可以将果蝇的寿命延长4倍之多（最长可达25天以上）（图4）；由于clueless缺失造成的线粒体和组织损伤，也能够通过drp1过表达实现修复。这些基因互作数据表明：CLUH/clueless对线粒体的调控功能，有很重要的一部分是通过Drp1作为下游因子而实现的。
图4 过表达drp1能够显著延长有clueless缺失突变的果蝇的寿命
（图源：Yang H, et al., Nat Commun, 2022）
在进一步深入探寻CLUH调控Drp1的分子机制的过程中，作者发现，CLUH能够促进Drp1被Drp1受体蛋白招募到线粒体的表面（图5-6），而不改变Drp1在细胞内的表达水平
图5 在果蝇模型中，Clueless促进Drp1被Drp1受体蛋白招募到线粒体的表面，从而促进线粒体分裂
（图源：Yang H, et al., Nat Commun, 2022）
（图源：Yang H, et al., Nat Commun, 2022）
CLUH之所以能够实现对Drp1的这一调控功能，是因为CLUH作为一种RNA结合蛋白，能够直接结合Drp1受体（MiD49和Mff）的信使RNA，并促进其蛋白质合成（图7）。有更多的受体蛋白在细胞中合成，则意味着有更多的Drp1能够被招募到线粒体上；细胞中Drp1受体不足，则会导致Drp1被招募到线粒体表面的过程受阻。
图7 CLUH调控Drp1受体的翻译过程：在敲除CLUH的人类HeLa细胞系中，Drp1受体MiD49和Mff的蛋白质合成明显下降
（图源：Yang H, et al., Nat Commun, 2022）
（图源：Yang H, et al., Nat Commun, 2022）
郭明教授的团队主要聚焦于神经退行性疾病以及其他与衰老相关疾病的病理研究与药物研发。Drp1也一直是整个基础与临床研究领域的热点。drp1基因突变与线粒体分裂过程的异常会造成癌症、糖尿病、心脏病和儿童发育疾病，甚至会造成新生儿夭折。郭明教授表示，此项研究不仅为探寻生命现象基本原理的基础研究提供了新的发现，也为PD和其他疾病的防治与药物研发，为促进人类健康的医学研究提供了新的思路。此外，文章深入探索了CLUH调控Drp1的分子机制。郭明教授表示，其意义在于，Drp1是一个在细胞中发挥着多项重要作用的关键蛋白，如果直接以Drp1作为药物靶点来治疗一种疾病，可能会因为扰乱细胞中的其他信号通路而造成药物副作用，从而很难实现精准治疗。而通过CLUH作为上游因子对Drp1的受体实现精细调控，则有希望使专门针对PD的精准治疗成为可能。
CLUH/clueless的同源基因可追溯到最简单、最古老的真核生物，如酵母、变形虫等，同源基因均保持着结构和功能上的保守性。研究团队通过人类细胞模型和果蝇模型证明CLUH/clueless基因在调节Drp1和线粒体功能上的进化保守性，也更加强调了CLUH/clueless的这一项具体功能对细胞和机体健康发挥着不可或缺的作用。今后，团队将进一步深入探寻CLUH对线粒体功能的调控机理，并研究如何通过精细调节CLUH的功能促进细胞和机体的健康。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-29071-4
文章第一作者杨欢博士（左），通讯作者郭明教授（右）
（照片提供自：UCLA郭明教授实验室）
加州大学洛杉矶分校（UCLA）郭明教授为论文通讯作者，课题组博士后杨欢为论文第一作者。其他合作作者包括：Jina Yun博士（前UCLA郭明教授课题组博士后），Caroline Sibilla博士（前美国国立卫生院博士生），加州理工学院（Caltech）的Raymond Liu博士、Bruce Hay教授和David Chan教授，哈佛大学医学院的Craig Blackstone教授、医生（前美国国立卫生院教授、医生），澳大利亚University of Sunshine Coast的Robert Harvey 教授。
【1】Front Cell Neurosci︱施鹏/刘振课题组合作揭示多种因素感音性听力损失的共有分子机制
【2】Cell Death Dis︱李纤课题组揭示少突胶质前体细胞铁死亡在脑出血后白质损伤中的作用
【3】Front Mol Neurosci︱高尚邦课题组解析运动神经元震荡子的构成与分子机制
【4】Nat Neurosci综述︱双光子全息光遗传学技术探测神经编码
【5】Mol Psychiatry︱生物钟基因Bmal1在自闭症及小脑共济失调的小鼠模型中的作用
【6】Science︱小鼠快速眼动睡眠由基底外侧杏仁核多巴胺信号调节
【7】Nat Neurosci︱双相情感障碍患者杏仁核和前扣带回神经免疫和突触相关通路下调
【8】Nat Commun︱周小明/孙子宜团队根据Sigma-1受体开放式构象揭示其配体进入途径的分子机制
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参考文献（上下滑动查看）
1. Clark, I. E. et al. Drosophila pink1 is required for mitochondrial function and interacts genetically with parkin. Nature 441, 1162–1166 (2006).
2. Deng, H. et al. The Parkinson’s disease genes pink1 and parkin promote mitochondrial fission and/or inhibit fusion in Drosophila. Proc. Natl Acad. Sci. USA 105, 14503–14508 (2008).
3. Yun, J. et al. MUL1 acts in parallel to the PINK1/parkin pathway in regulating mitofusin and compensates for loss of PINK1/parkin. Elife 3, e01958 (2014).
4. Zhang, T. et al. Valosin-containing protein (VCP/p97) inhibitors relieve Mitofusin-dependent mitochondrial defects due to VCP disease mutants. Elife. 6, e17834 (2017).
5. Ma, P. et al. Atg1-mediated autophagy suppresses tissue degeneration in pink1/parkin mutants by promoting mitochondrial fission in Drosophila. Mol. Biol. Cell 29, 3082-3092 (2018).
6. Yang, H. et al. Clueless/CLUH regulates mitochondrial fission by promoting recruitment of Drp1 to mitochondria. Nat Commun 13, 1582 (2022).
制版︱王思珍
本文完