复旦大学生物医学研究院青年研究员王义平前期研究发现了细胞核中调控线粒体生物合成的代谢感知通路：细胞通过AMPK能量感受器调控蛋白精氨酸甲基化酶PRMT6介导的SIRT7甲基化，组蛋白去乙酰化酶SIRT7被甲基化后活性降低，导致组蛋白H3K18乙酰化水平升高，进而特异性的促进细胞核中编码线粒体核糖体基因的表达。在哈佛大学David Scadden实验室交流学习期间，王义平博士对线粒体如何感知代谢状态调控生物合成展开了研究。2021年3月25日，相关工作以“Malic enzyme 2 connects the Krebs cycle intermediate fumarate to mitochondrial biogenesis”为题发表在Cell Metabolism杂志上。

急性髓性白血病（AML）是一类高致死率的血液肿瘤。与正常外周血细胞相比，AML细胞具有更多的线粒体且高度依赖线粒体呼吸 。因此AML细胞是研究线粒体生物合成的绝佳模型。研究团队首先通过代谢物文库筛选发现，三羧酸循环代谢中间产物延胡索酸处理细胞后会导致AML细胞线粒体量明显上升。体内实验发现延胡索酸可以在多个器官中提高线粒体DNA的水平，并提高骨髓细胞的呼吸速率。进一步通过shRNA文库筛选转导延胡索酸信号的蛋白，发现敲低线粒体代谢酶苹果酸酶ME2后延胡索酸不能上调线粒体的量，提示ME2感知并转导延胡索酸信号。13C标记延胡索酸示踪实验表明，ME2的催化活力在AML细胞代谢中功能并不显著，因此推测ME2并不主要作为代谢酶而是作为延胡索酸信号转导蛋白发挥作用。进一步工作发现，延胡索酸可促进ME2由单体向二聚体转变。ME2二聚体可以结合并激活线粒体内脱氧尿嘧啶三磷酸核苷水解酶（DUT），促进嘧啶合成从而上调mtDNA。另一方面，由于线粒体基因组编码的蛋白均定位于线粒体内膜，在电子传递链中发挥功能，因此线粒体核糖体必须通过MRPL45蛋白锚定在线粒体内膜以保证蛋白合成后的正确定位 。研究发现ME2单体可与MRPL45结合，进而阻碍其与线粒体内膜的结合，从而破坏线粒体核糖体的正确组装和蛋白合成。延胡索酸介导ME2聚合从而解除这种抑制作用，促进线粒体蛋白的合成和表达。进一步的研究表明，ME2的延胡索酸结合位点受精氨酸甲基化修饰。蛋白精氨酸甲基化酶PRMT1可甲基化ME2，抑制ME2对延胡索酸的识别和ME2聚合，从而抑制线粒体生物合成。在人源化的AML动物（NSG）模型和临床白血病样本中实验发现，ME2介导的延胡索酸信号转导能够维持白血病细胞的恶性增殖，且在临床样本中处于激活状态。值得注意的是，在多种实体瘤细胞系中也发现延胡索酸以依赖ME2的方式上调mtDNA水平。这些证据充分说明延胡索酸介导的线粒体生物合成在白血病等肿瘤的发生发展中具有重要作用 。干预延胡索酸信号转导可能产生新的抑癌靶点和策略。

王义平博士为该论文的第一作者，哈佛大学David Scadden教授为通讯作者，复旦大学生物医学研究院和附属肿瘤医院为合作单位。项目得到了复旦大学雷群英教授的指导和大力支持，中国人民解放军陆军军医大学西南医院副主任医师徐双年博士为项目开展提供了重要支持。项目同时得到了上海交通大学医学院蔡蓉教授和美国希望之城国家医疗中心Yanzhong Yang教授的帮助。哈佛大学质谱中心、复旦大学-上海市重大疾病蛋白质组研究专业技术服务平台和上海交通大学医学院基础医学公共技术平台为该工作提供了技术支撑。

Summary

Mitochondria have an independent genome (mtDNA) and protein synthesis machinery that coordinately activate for mitochondrial generation. Here, we report that the Krebs cycle intermediate fumarate links metabolism to mitobiogenesis through binding to malic enzyme 2 (ME2). Mechanistically, fumarate binds ME2 with two complementary consequences. First, promoting the formation of ME2 dimers, which activate deoxyuridine 5′-triphosphate nucleotidohydrolase (DUT). DUT fosters thymidine generation and an increase of mtDNA. Second, fumarate-induced ME2 dimers abrogate ME2 monomer binding to mitochondrial ribosome protein L45, freeing it for mitoribosome assembly and mtDNA-encoded protein production. Methylation of the ME2-fumarate binding site by protein arginine methyltransferase-1 inhibits fumarate signaling to constrain mitobiogenesis. Notably, acute myeloid leukemia is highly dependent on mitochondrial function and is sensitive to targeting of the fumarate-ME2 axis. Therefore, mitobiogenesis can be manipulated in normal and malignant cells through ME2, an unanticipated governor of mitochondrial biomass production that senses nutrient availability through fumarate.

来源复旦大学生物医学研究院

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