Nature | 细胞能量需求驱动线粒体亚群分化与代谢分工

撰文 | 阿童木

大多数哺乳动物细胞中含有50到1,000个独立的线粒体。虽然这些线粒体是独立的功能单元，但它们并非孤立运作，而是通过持续的融合 （fusion） 和分裂 （fission） 过程，形成一个动态的线粒体网络【1】。这种动态平衡不仅有助于线粒体内膜电位的稳定，还能促进线粒体基因组的均质化，减少突变的积累。此外，通过线粒体自噬 （mitophagy） ，细胞能够有效地清除受损或功能异常的线粒体，从而维持整体线粒体网络的质量控制。线粒体动态网络的稳态维持对于细胞应激反应和能量代谢等过程至关重要【2】。

作为细胞的“动力工厂”，线粒体通过氧化磷酸化（OXPHOS） 生成 ATP。当细胞处于富营养环境或在血管密集的组织中时，营养物质的供应往往超出细胞对ATP的需求，此时线粒体能够利用过量的营养物质，通过代谢重编程将其转化为用于生物合成的前体分子 （如脂肪酸、氨基酸和核苷酸）【3】。这种代谢可塑性使线粒体在满足细胞基础能量需求的同时，还能促进细胞增殖和组织再生。然而，线粒体在营养丰富与营养缺乏条件下灵活切换其代谢功能的机制仍不甚清楚。

尤其是在营养匮乏时，细胞面临两难选择：是优先利用线粒体的代谢能力来维持ATP合成，还是转而将有限的碳源用于生成支持细胞存活和功能所必需的代谢前体？虽然OXPHOS与氨基酸合成、一碳代谢 （包括叶酸循环、S-腺苷甲硫氨酸循环） 间的关系已经得到广泛研究，但在不同能量状态和营养胁迫下，这些功能如何进行动态协调尚未完全厘清。理解这些机制对于揭示癌细胞等高代谢活性细胞如何在极端条件下生存和增殖，具有重要意义。

2024年11月6日，纪念斯隆凯特琳癌症研究所Craig Thompson实验室等在Nature杂志发表了Cellular ATP demand creates metabolically distinct subpopulations of mitochondria的研究文章，揭示了细胞ATP需求能够诱导线粒体亚群分化与代谢分工。研究发现，脯氨酸-5-羧酸合成酶（P5CS）在氧化磷酸化（OXPHOS）需求增上升时会聚集成丝状结构，这些P5CS富集的线粒体缺乏ATP合酶和嵴结构，主要进行还原性生物合成。而富含ATP合酶的线粒体嵴结构丰富，专注于ATP生成。此外，线粒体的动态变化（融合与分裂）通过调控该代谢区隔与分工，影响了能量-代谢物合成平衡。

作者首先利用蛋白互作网络分析 （PPI） 对线粒体代谢酶进行了系统性聚类，发现线粒体代谢酶可以分为三大功能簇，即TCA循环相关蛋白（簇1），氨基酸合成酶（簇2）和一碳代谢酶类（簇3）（图1）。有趣的是，脯氨酸-5-羧酸合成酶（P5CS）作为线粒体内脯氨酸和鸟氨酸合成的限速酶，位于线粒体代谢酶簇的“交汇点”，既沟通了氧化和还原代谢通路，也可以通过脱氨生成α-酮戊二酸以维持TCA循环（图1）。

图1 脯氨酸-5-羧酸合成酶（P5CS）处于线粒体代谢网络的“交汇点”

基于P5CS处于TCA循环和线粒体生物合成节点这一发现，作者检测了在细胞更依赖OXPHOS生成ATP的条件下，是否会导致脯氨酸和鸟氨酸依赖性的多胺合成受损。结果表明，当细胞更依赖 OXPHOS 生成 ATP 时，尽管NADH/NAD+比率显著下降，但细胞仍能维持其脯氨酸水平。代谢示踪实验表明，即使在氧化条件下，谷氨酸仍能被用于TCA循环和还原性合成途径。此外，尽管可能存在 P5CS 以外的脯氨酸合成途径，但敲除P5CS后，细胞合成脯氨酸的能力丧失，表现出脯氨酸营养缺乏症，证实了P5CS在脯氨酸合成中的不可替代性。

进一步研究发现，P5CS在营养应激条件下能够形成丝状结构，这可能与其活性增强相关。在缺乏血清的成纤维细胞中，P5CS与线粒体基质蛋白PDH共定位；而在血清依赖性细胞增殖发生时，P5CS形成的丝状结构仅出现在部分线粒体中。增加线粒体ATP合成或降低NADH/NAD+比率均能促进P5CS的丝状结构的形成，而不影响其总蛋白水平。此外，P5CS的丝状结构对维持线粒体在氧化应激下的脯氨酸合成至关重要，并且这种组装可能受其合成产物需求的调控。P5CS在肿瘤细胞及部分肿瘤基质细胞的线粒体中也会形成丝状结构，而在正常细胞中则没有这种聚集现象，这表明P5CS的丝状结构可能与肿瘤细胞在氧化应激和高能量需求这一微环境下的代谢适应有关。

由于P5CS会在OXPHOS需求增加时聚集到特定的线粒体亚群中，作者评估了这些含有P5CS丝状结构的线粒体是否具有不同的代谢特征。结果表明，P5CS与ATP合酶在细胞代谢调控中存在空间分布差异。P5CS在OXPHOS需求增加时所富集的线粒体亚群缺乏ATP合酶，但具有更高的膜电位和还原能力。P5CS富集的线粒体专注于还原性生物合成，而富含ATP合酶的线粒体则主要进行氧化磷酸化。通过增加ETC活性或改变NADH/NAD+比例，可以诱导P5CS与ATP合酶的分离。此外，癌细胞内同样具有这种线粒体分隔现象，暗示了这种线粒体差异化机制在肿瘤适应性代谢中的重要性。

不仅如此，含有P5CS的线粒体与富含ATP合酶的线粒体在超微结构上存在显著差异，具体表现在P5CS富集的线粒体缺乏典型的线粒体嵴结构，并且维持嵴形态的关键蛋白活性较低。相比之下，富含ATP合酶的线粒体嵴结构丰富。此外，尽管OPA1基因 （线粒体嵴结构维持基因） 敲除会导致OXPHOS功能障碍，但这些细胞仍能够高效地合成脯氨酸和鸟氨酸，表明线粒体嵴结构在特定代谢功能中的作用有限。

线粒体是动态的细胞器，持续进行融合和分裂。作者发现线粒体融合缺陷会导致OXPHOS的减弱和代谢重编程，使细胞倾向于还原性代谢。相反，线粒体分裂缺陷则会在不影响OXPHOS或细胞增殖的前提下，导致脯氨酸合成能力下降。 因此，线粒体融合和分裂通过差异性地调节细胞的能量产生和生物合成能力，决定了细胞的代谢选择性。

综上所述，本研究揭示了ATP需求的差异性驱动了代谢异质性线粒体亚群的形成。脯氨酸-5-羧酸合成酶（P5CS）在氧化磷酸化（OXPHOS）需求增加时聚集成丝状结构，这些线粒体缺乏ATP合酶和嵴结构但具有更高的膜电位，主要进行还原性生物合成。而富含ATP合酶的线粒体嵴结构丰富，专注于ATP生成。此外，线粒体的动态变化（融合与分裂）通过调控这些代谢分隔，影响了细胞能量平衡和生物合成间的稳态。本研究为揭示细胞在营养胁迫下的代谢适应机制提供了新视角，尤其对理解癌细胞在极端环境下的生存策略具有重要启示。

https://doi.org/10.1038/s41586-024-08146-w

制版人：十一

参考文献

1. Spinelli, J. B. & Haigis, M. C. The multifaceted contributions of mitochondria to cellular metabolism.Nat. Cell Biol.20, 745–754 (2018).

2. Quintana-Cabrera, R. & Scorrano, L. Determinants and outcomes of mitochondrial dynamics.Mol. Cell83, 857–876 (2023).

3. Schworer, S. et al. Proline biosynthesis is a vent for TGFβ-induced mitochondrial redox stress.EMBO J.39, e103334 (2020).

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