Molecular Cell︱线粒体自噬过程中线粒体裂变新机制

撰文 | 咸姐

自噬是一种由各种细胞应激诱导的分解代谢过程，通过液泡/溶酶体降解使细胞质成分再循环。通常情况下，自噬诱导后，胞质中会出现一种被称为吞噬泡 （phagophore） 的杯状膜性结构，其扩张并吞噬细胞质蛋白和细胞器，形成自噬体。随后，自噬体与液泡 （酵母和植物中） 或溶酶体 （多 细胞动物中） 融合，导致其包裹的物质被水解酶降解【1】。而线粒体自噬则是一种线粒体的选择性自噬降解，在线粒体稳态中发挥着重要作用，其与非选择性自噬共享大多数分子过程，除了两个额外的步骤：（1）选择特定的线粒体区域作为“货物”，该过程通常依赖于定位在线粒体外膜 （OMM） 上的各种受体蛋白；（2）调整“货物”形态以适应吞噬泡和自噬体的形状和大小【2】。由于线粒体通常比自噬体大，有人认为，在被吞噬泡吞噬之前线粒体会通过线粒体裂变而产生大小合适的线粒体片段。然而，目前被充分研究的线粒体裂变因子，如酵母中的动力蛋白相关蛋白Dnm1和哺乳动物中的DNM1L/Drp1，被发现对于受体介导的线粒体自噬是可有可无的，这就提出了一种可能性，即存在一种未知的机制起着促进线粒体裂变的作用。

2023年5月15日，来自日本新泻大学的Tomotake Kanki团队在Molecular Cell上在线发表题为The mitochondrial intermembrane space protein mitofissin drives mitochondrial fission required for mitophagy的文章，在酵母中发现一种新的存在于线粒体膜间间隙的膜裂变蛋白——Atg44，并将其命名为mitofissin，证明mitofissin能够直接结合到脂质膜上，导致膜脆性，从而驱动了对线粒体自噬至关重要的Dnm1/DNM1L非依赖性线粒体裂变，由此揭示了线粒体裂变有助于吞噬泡有效吞噬线粒体“货物”的过程，并为线粒体膜裂变中mitofissin的分子基础提供了新见解。

为了鉴定线粒体自噬所需的基因，本文研究人员首先筛选了粟酒裂殖酵母（Schizosaccharomyces pombe，Sp） 的线粒体自噬缺陷突变体全基因组缺失文库，发现了一个尚未被表征的基因SPAC26A3.14C，其编码一种由73个氨基酸组成且没有任何已知的功能结构域的蛋白质——Atg44。初步研究证实，Atg44功能保守，可专门影响线粒体自噬且对其至关重要。对Atg44的定位进行探索后证实其为线粒体蛋白，且定位于线粒体的膜间间隙 （IMS） ，而不是一种跨膜蛋白。

随后，研究人员利用酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae，Sc） 进一步探索Atg44在线粒体自噬中的作用。在Sc中，Atg32是唯一的线粒体自噬受体，可在线粒体自噬诱导时被磷酸化，从而与胞质支架/衔接蛋白Atg11相互作用，并在靶向降解的线粒体上聚集。然后，Atg11与由核心自噬蛋白组成的Atg1复合物 （这些蛋白在吞噬泡组装位点PAS组装） 相互作用以启动吞噬泡的形成。因此，本文研究人员首先检测了在此“货物”选择过程中是否需要Sc-Atg44，实验结果显示Atg44的缺失并不会影响该过程，事实上，Atg44是“货物”选择和形成含有线粒体作为“货物”的自噬体之间的过程所必需的。进一步地实验证实，自噬机制是在线粒体的特定位置组装的，并且随着线粒体自噬的进行，这些突起部分被靶向液泡表面；然而，在缺乏Atg44的情况下，这些部分虽仍然与线粒体主体相连，形成线粒体突起，但是这些突起不被吞噬泡包裹。

与此同时，在对Sc-Atg44缺失的细胞的分析中，研究人员发现它们的线粒体呈球形扩大，这与线粒体裂变缺陷的Dnm1缺陷细胞相似。相反，在Sc和Sp细胞中过表达Atg44则可引起线粒体片段化，无论是野生型还是Dnm1缺陷的细胞，在DNM1L/Drp1敲除的HeLa细胞中也有同样的现象。这些发现表明，Atg44是一种线粒体裂变因子，可以促进线粒体裂变而不需要DNM1L/Dnm1，在线粒体自噬过程中，Atg44可以产生尺寸上适合于有效吞噬的线粒体片段。进一步地实验证实，Atg44和Dnm1作为两种裂变因子，起着不同的作用：前者是促进线粒体自噬的线粒体裂变所必需的，而后者主要是促进裂变以平衡Mgm1的融合活性，从而在稳态条件下维持线粒体功能。

此外，体外实验发现，Atg44可以与脂质膜结合并介导膜裂变，而不需要任何其他因子的参与。利用冷冻电镜 （cryo-EM） 和高速原子力显微镜 （HS-AFM） 对Atg44与脂质膜的结合进行更详细的探索发现，Atg44以静电相互作用依赖的方式优先与具有高正曲率的脂质膜结合，并且其可以通过物理相互作用引起膜脆性。最后，为了阐明Atg44如何作用于线粒体膜，研究人员通过免疫电镜分析了表达Atg44的DNM1L/Drp1敲除的HeLa细胞，结果显示Atg44主要在线粒体内膜 （IMM） 上积累并发挥其功能。这些结果共同表明Atg44与线粒体膜结合，尤其是那些具有正曲率的线粒体膜，导致膜脆性，从而促进膜裂变。

综上所述，Atg44具有区别于动力蛋白样DNM1L/Dnm1的独特特征，是一种只有73个氨基酸的小蛋白，既没有GTP酶也没有ATP酶结构域。Atg44含有不需要核苷酸或任何其他蛋白质辅助因子的膜裂变活性，而DNM1L/Dnm1则需要GTP及其在线粒体表面的特异性受体。此外，与Dnm1从线粒体外作用于OMM不同，Atg44在IMS中起作用，并且Atg44样蛋白在藻类和苔藓植物以及广泛的真菌中都是保守的。因此，本文研究人员将这个线粒体裂变蛋白家族称为mitofissin。由此可见，本研究确定了mitofissin为一种线粒体裂变因子，发现了一种前所未有的线粒体裂变类型，即mitofissin直接与脂质膜结合并导致膜脆性，揭示了mitofissin介导的线粒体裂变在线粒体自噬过程中调节线粒体大小以适应吞噬泡和自噬体的能力的重要作用。

参考文献

1. Nakatogawa, H. (2020). Mechanisms governing autophagosome biogenesis.Nat. Rev. Mol. Cell Biol.21, 439–458.

2. Pickles, S., Vigie´, P., and Youle, R.J. (2018). Mitophagy and quality control mechanisms in mitochondrial maintenance.Curr. Biol.28, R170–R185.

https://doi.org/10.1016/j.molcel.2023.04.022