NC | 创新!线粒体动力学过程调控细胞衰老

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大家好,我是WJK。今天为大家分享一篇近期发表在Nature Communications上的通过调控线粒体动力学过程影响细胞衰老的文章,题目是Mitochondrial phosphatase PGAM5 modulates cellular senescence by regulating mitochondrial dynamics。本文的通讯作者是来自美国杜兰大学的王树波教授。

线粒体是为细胞进行能量供给的重要细胞器,在执行功能时处于高度动态平衡的状态。具体来说,线粒体需要通过不断的融合和分裂来维持其稳态。线粒体稳态的破坏可能导致细胞衰老,但潜在的机制尚不清楚。在以往的报道中,磷酸甘油酸变位酶5(PGAM5)是一种线粒体丝氨酸/苏氨酸磷酸酶,作为一种去磷酸化酶在调控线粒体动力学过程中十分重要,然而其是否可以调节细胞衰老和年龄依赖性抗氧化反应仍然是未知的。在这篇文章中,作者将这两个问题结合起来,并最终通过实验证明PGAM5可以通过调节线粒体分裂最终调控细胞衰老

首先,作者利用CRISPR-Cas9技术建立了PGAM5-/-细胞系。在将PGAM5-/-细胞培养8周后,与对照组相比,观察到β-半乳糖苷酶活性升高和细胞体积增大的现象,并伴随着衰老相关标记物水平显著提高。以上的结果说明PGAM5-/-细胞会加速衰老。在之后的体内实验中,作者也得到了相同的结论。

Figure1 PGAM5缺失导致细胞加速衰老

 

为探讨PGAM5缺失诱导细胞衰老的机制,作者对PGAM5缺失时的线粒体形态和相关蛋白表达水平进行了探索。通过免疫荧光实验发现,在PGAM5-/-细胞中,线粒体呈现更多的管状和较少的碎片结构,证明了PGAM5的缺失会促进线粒体融合。在Western blot分析中,证实了PGAM5−/−细胞中分裂相关蛋白Drp1(Ser-637)磷酸化水平明显增加,活性形式减少。接下来,为探讨线粒体形态和动态变化对机体功能的影响,作者测定了线粒体内部的ATP和ROS含量,发现长期培养的PGAM5−/−细胞中,ATP生成减少;ROS水平显著降低,说明衰老加速。综上,PGAM5缺失导致线粒体过度融合和线粒体周期减少

Figure2 PGAM5缺失引起线粒体动力学改变

 

由于Drp1(Ser-637)为PGMA5的去磷酸化作用位点。所以接下来,作者研究了Drp1-S637A突变体的过表达是否能挽救PGAM5–/–细胞加速衰老的现象。用Drp1-S637A的慢病毒转染细胞,发现Drp1-S637A的过表达明显抑制了PGAM5-/-细胞的线粒体融合,且细胞线粒体分支长度减少了约50%。后续Western blot实验中也发现,Drp1-S637A使得线粒体标志物CypD、CytoC和Tom20的表达上调,证明线粒体质量也被Drp1-S637A过表达所挽救。证明了PGMA5通过去磷酸化Drp1(Ser-637)发挥作用。

Figure3 Drp1-S637A的过表达可挽救PGAM5-/-衰老表型

最后,在机制研究中,作者发现PGAM5缺失导致AMPK-mTOR和IRF/IFN-β这两条衰老相关的重要通路被激活,这是PGAM5缺失加速衰老的主要原因。

综上,本文揭示了PGAM5在衰老中的重要作用,发现PGAM5缺失导致线粒体过度融合和线粒体更新减少。在机制上,PGAM5缺失导致AMPK-mTOR和IRF/IFN-β通路活化,同时Drp1-S637A高表达挽救了PGAM5-/-线粒体形态改变、mTOR激活和衰老。此外,PGAM5被证明在年龄依赖性细胞中对氧化应激具有抵抗能力。这些研究建立了PGAM5、线粒体分裂、衰老和抗氧化反应之间的联系,加强了线粒体动力学在调节细胞衰老中的重要性

本文的亮点在于揭示了PGAM5在调节线粒体动力学的重要作用及其对衰老的影响。并且还发现了衰老与细胞抗氧化反应之间的联系,这对于治疗年龄相关疾病具有重要意义

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