Science丨发现MCL-1的非凋亡功能——调控线粒体代谢

撰文｜雪月

程序性细胞死亡（ apoptotic cell death ）对形态发生和组织稳态至关重要。凋亡过程的缺陷会促进癌症、自身免疫性疾病和退行性疾病的发生。凋亡由 BCL-2 家族中的三类蛋白调控。抗凋亡蛋白（如 BCL-2 、 BCL-XL 、 MCL-1 、 A1 、 BCL-W ）通过中和 BH3-only 蛋白（例如 tBID 、 BIM 、 PUMA 、 NOXA ）以及效应蛋白 BAX 和 BAK 来抑制细胞凋亡。被激活的 BAX 和 BAK 会导致线粒体外膜通透性增强（ MOMP ），从而启动拆解细胞的 caspase 级联反应。

MCL-1对于细胞存活至关重要。其缺失或被抑制会导致许多细胞类型死亡，而这些细胞类型在缺失或抑制其他抗凋亡 BCL-2 蛋白时不会死亡。 MCL-1 缺失的小鼠胚胎会在胚胎发育第 3.5 天左右死亡（ E3.5 ）。 BCL-XL 缺失的小鼠胚胎会在 E13.5 左右因红细胞和神经元死亡而死亡。 BCL-2 缺失的小鼠则通常在出生后约 4 周因多囊肾病而死亡。 A1 或 BCL-W 的缺失则仅表现出轻微的缺陷。抗凋亡 BCL-2 蛋白在其与促凋亡亲缘蛋白的结合能力、蛋白稳定性和定位等方面存在差异。

有研究报道，某些抗凋亡 BCL-2 蛋白还具有与凋亡无关的功能。 MCL-1 和 BCL-XL 在被蛋白酶加工后可定位于线粒体膜间空间，调节线粒体动力学及通过氧化磷酸化（ OXPHOS ）进行的 ATP 产生，而 BCL-2 则无此功能。此外， MCL-1 还通过与线粒体外膜上的 ACSL1 （一种长链酰基辅酶 A 合成酶）相互作用来调控线粒体脂肪酸氧化（ FAO ）。然而， MCL-1 （及其他 BCL-2 蛋白）这些与凋亡无关的功能在生理学中的重要性仍不清楚。

来自澳大利亚墨尔本沃尔特和伊丽莎霍尔医学研究所的Andreas Strasser团队在 Science 上发表题为

Relative importance of the anti-apoptotic versus apoptosis-unrelated functions of MCL-1 in vivo

作者首先将小鼠 Mcl-1 编码区替换为 hMCL-1 、 FLAG-tagged BCL-XL 、 BCL-2 或 A1 的 cDNA 序列，维持 5′ 与 3′ 非编码区不变。通过 Western blot 、流式检测及 BH3 mimetic 药物敏感性检测，验证蛋白表达与功能。检测发现替代蛋白（ hMCL-1 、 BCL-XL 、 BCL-2 ）在体内表达并具有抗凋亡功能。 Mcl-1 基因缺失造成的早期胚胎致死（ E3.5 前）可被 BCL-2 或 BCL-XL 替代所挽救，说明MCL-1的非凋亡功能对早期胚胎发育并非必需。

作者接下来对胚胎发育阶段进行比较。作者对 Mcl-1Bcl-xL/+ 和 Mcl-1Bcl-2/+ 异型合子追踪不同时间点胚胎（ E10.5–E15.5 ）发育情况并分析形态学。对比发现虽然 BCL-XL 和 BCL-2 都能支持胚胎发育至 E10.5 ，但 Mcl-1Bcl-2/Bcl-2 胚胎从 E12.5 就显著减少，而 Mcl-1Bcl-xL/Bcl-xL 则可活至 E14.5 甚至更晚，说明 BCL-XL 比 BCL-2 更能代偿 MCL-1 功能。利用 TUNEL 标记、神经组织染色、组织学分析（ E9.5–E12.5 ）观察凋亡细胞比例与大脑发育结构。实验 发现 Mcl-1Bcl-2/Bcl-2 胚胎中凋亡细胞数量增加、神经发育异常，如脑室塌陷和折叠神经上皮，说明非凋亡相关功能缺失造成发育缺陷。

作者接下来构建 诱导型 MEF 模型 进行 验证 。 在 Mcl-1fl ox 背景下构建 Mcl-1Bcl-xL/del 和 Mcl-1Bcl-2/del MEF 细胞，诱导 Mcl-1 缺失，检测增殖能力与细胞周期。 作者发现 BCL-XL 较 BCL-2 更能补偿 MCL-1 缺失后对细胞增殖的影响。 BCL-2 本身略抑制增殖，但其非凋亡功能无法替代 MCL-1 。

作者又 将 Mcl-1Bcl-xL 和 Mcl-1Bcl-2 小鼠引入混合背景（ FVBxBALB/c ），分析 E18.5 至出生后的成活情况。仅 Mcl-1Bcl-xL/Bcl-xL 在混合背景下可存活至出生且少数存活至断奶，而 Mcl-1Bcl-2/Bcl-2 全部死亡，强调 BCL-XL 可部分补偿 MCL-1 非凋亡功能。组织学分析新生 Mcl-1Bcl-xL/Bcl-xL 小鼠肝脏、肾脏、小肠和心脏，评估细胞凋亡、酶释放（ AST 、 CK ）及代谢。肝脏脂肪变、肾损伤、小肠低细胞数但无凋亡标记阳性，提示是由于代谢紊乱而非细胞凋亡。进一步支持 MCL-1 的非凋亡代谢功能必不可少。 RNA-seq 分析肝脏组织代谢基因表达，代谢组学检测 TCA 循环、脂肪酸氧化、酮体生成等相关物质。 Mcl-1Bcl-xL/Bcl-xL 肝脏表现为脂肪酸氧化（FAO）障碍、糖酵解上调，代谢重编程。提示MCL-1调控FAO的功能不能被BCL-XL替代。

作者最后分析了 线粒体功能与形态 。作者利用 Seahorse 分析 MEF 的呼吸能力；电子显微镜观察线粒体结构；测定 OXPHOS 复合物活性。 BCL-XL 可部分替代 MCL-1 维持线粒体形态和电子传递链结构，但无法恢复 FAO 相关功能。这一功能差异是 MCL-1 特有的非凋亡作用。

本研究揭示MCL-1在体内具有阶段特异的功能，其抗凋亡作用对早期胚胎存活至关重要，而其调控线粒体代谢的非凋亡功能则对后期发育和出生后生存必不可少。

http://doi.org/10.1126/science.adw1836

制版人： 十一

学术合作组织

（*排名不分先后）

战略合作伙伴

（*排名不分先后）

转载须知

【原创文章】BioArt原创文章，欢迎个人转发分享，未经允许禁止转载，所刊登的所有作品的著作权均为BioArt所拥有。BioArt保留所有法定权利，违者必究。

BioArt

Med

Plants

人才招聘

近期直播推荐