線粒體、溶酶體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等多種細(xì)胞器組成的細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)，高效支撐了機(jī)體的正常生理活動(dòng)。細(xì)胞中獨(dú)特的核酸、蛋白、代謝物質(zhì)等生物分子組分支撐著各細(xì)胞器的獨(dú)特生化反應(yīng)及生理功能。人類基因組所轉(zhuǎn)錄的總RNA，非編碼RNA所占比例高達(dá)98%，其在細(xì)胞中廣泛存在功能大量未知堪稱生命的“暗物質(zhì)”。
如果把細(xì)胞比作浩瀚宇宙，那么細(xì)胞器就是宇宙星空中的繁星點(diǎn)點(diǎn)。如果要解開(kāi)細(xì)胞器在重要細(xì)胞活動(dòng)規(guī)律中的深邃奧秘，就需要深入解析細(xì)胞器的組分構(gòu)成及其作用模式；其中，生命“暗物質(zhì)”長(zhǎng)非編碼核糖核酸（LncRNA, Long non-coding RNA），對(duì)細(xì)胞穩(wěn)態(tài)和疾病發(fā)生發(fā)揮重要的調(diào)控作用，其作為細(xì)胞器組分的分布規(guī)律并參與細(xì)胞調(diào)控的研究尚少。
近日，浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院林愛(ài)福研究員課題組，通過(guò)創(chuàng)建細(xì)胞器免疫親和純化體系，繪制了細(xì)胞器LncRNA圖譜，并從中揭示了線粒體細(xì)胞器LncRNA在幫助細(xì)胞應(yīng)對(duì)能源匱乏條件，介導(dǎo)檸檬酸循環(huán)（TCA）代謝區(qū)室解離中的重要調(diào)控作用，為研究人類疾病發(fā)生機(jī)理研究提供了嶄新的視角。
這項(xiàng)工作進(jìn)展近日刊發(fā)在國(guó)際知名期刊《自然·代謝》（Nature Metabolism），論文第一作者為浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士研究生桑凌杰、楊作臻及中山大學(xué)腫瘤防治中心鞠懷強(qiáng)副研究員。浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院林愛(ài)福研究員為該論文的通訊作者。
探明微觀宇宙星體坐標(biāo)圖的“顯微”體系
為什么多年來(lái)，一直難以系統(tǒng)地對(duì)各類LncRNA清晰定位，這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的生物學(xué)通過(guò)密度梯度離心等方法進(jìn)行組分分離分辨率有限。由于各有膜細(xì)胞器及其他無(wú)膜細(xì)胞器等組分的沉降系數(shù)范圍交疊，易產(chǎn)生不同細(xì)胞器組分間互相干擾，難以達(dá)到特定細(xì)胞器RNA組分的精確檢測(cè)分辨率。
探索宇宙星體奧秘，需要測(cè)繪和把握天體系統(tǒng)的精準(zhǔn)分布，再逐級(jí)鎖定目標(biāo)對(duì)其組成表征等進(jìn)行研判。
如何探明星體的精確坐標(biāo)定位？林愛(ài)福研究團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，開(kāi)發(fā)了基于免疫親和純化的細(xì)胞器純化方案，將抗體免疫親和純化蛋白的方法，應(yīng)用到純化細(xì)胞器，通過(guò)抗體特異性抓取細(xì)胞器表面標(biāo)志蛋白，在細(xì)胞勻漿液中將完整細(xì)胞器連帶提取。將基于該免疫親和純化方案提取的各精準(zhǔn)細(xì)胞器進(jìn)行RNA提取及高通量RNA測(cè)序分析，林愛(ài)福研究團(tuán)隊(duì)繪制了細(xì)胞器LncRNA圖譜，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞器LncRNA約占總的5.2%，并揭示了其潛在參與所在細(xì)胞器相關(guān)功能的調(diào)控（圖1）。
這個(gè)圖譜為細(xì)胞器定位LncRNA的鑒定及研究提供了重要的線索及資源?！斑@就好像我們解密宇宙仰望星空，先把各類星座坐標(biāo)分類，然后逐級(jí)聚焦，進(jìn)一步對(duì)感興趣的星體進(jìn)行深入探索。”桑凌杰介紹。
浙江大學(xué)求是特聘教授、細(xì)胞器生物學(xué)專家劉偉教授評(píng)價(jià)道，這項(xiàng)工作提供了細(xì)胞器RNA系統(tǒng)鑒定的新技術(shù)，有效規(guī)避了細(xì)胞器間交叉污染及無(wú)膜亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的串?dāng)_，充分保留了細(xì)胞器內(nèi)部及表面的原生狀態(tài)，對(duì)未來(lái)細(xì)胞器RNA研究提供了嶄新視角。
線粒體星體里的奇妙世界
線粒體作為細(xì)胞的能量代謝中心，是細(xì)胞生長(zhǎng)代謝所需能源的“發(fā)電廠”。而線粒體中的檸檬酸循環(huán)是其中的重要發(fā)電機(jī)組。過(guò)去科學(xué)家們便意認(rèn)識(shí)到檸檬酸循環(huán)由一個(gè)個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，檸檬酸循環(huán)各產(chǎn)物從上游依次傳遞到下游，代謝物質(zhì)在各個(gè)反應(yīng)節(jié)點(diǎn)的快速穿梭，伴隨著產(chǎn)生大量NADH等能源物質(zhì)。然而檸檬酸循環(huán)動(dòng)態(tài)調(diào)控的分子機(jī)理尚待精確解析。
此次林愛(ài)福研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，線粒體中檸檬酸循環(huán)第一步代謝酶檸檬酸合酶（CS）與最后一步代謝酶蘋(píng)果酸脫氫酶（MDH2）像項(xiàng)鏈一樣扣在一起，CS與MHD2靠攏聚集形成代謝區(qū)室，促進(jìn)了檸檬酸循環(huán)的可持續(xù)進(jìn)行。
而線粒體LncRNAGAS5就像自然造物之“手”，在細(xì)胞面對(duì)能量物質(zhì)匱乏時(shí)，進(jìn)入并富集于線粒體，緩緩打開(kāi)了代謝循環(huán)節(jié)點(diǎn)MDH2-CS的扣環(huán)，繼而抑制了線粒體的“發(fā)電”功能。（圖2）?！熬€粒體GAS5傳遞了細(xì)胞養(yǎng)料匱乏的信號(hào)，它的功能就像一個(gè)剎車，及時(shí)制止了無(wú)序的燃料發(fā)電過(guò)程?！鄙Ａ杞苷f(shuō)。
新的腫瘤報(bào)警器
腫瘤是威脅人類生命健康的重大疾病之一，腫瘤細(xì)胞的惡性增殖需要大量的生物物質(zhì)能量供給，因此代謝重排是腫瘤進(jìn)展的重要驅(qū)動(dòng)因子。線粒體代謝為細(xì)胞提供了大量生物合成所需的碳架及能量，對(duì)腫瘤發(fā)生發(fā)展具有重要作用。因此，對(duì)腫瘤中線粒體代謝關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的研究將為腫瘤的診斷治療提供新的靶點(diǎn)和策略。
通過(guò)腫瘤細(xì)胞實(shí)驗(yàn)、體內(nèi)移植瘤實(shí)驗(yàn)、臨床大樣本分析，林愛(ài)福研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)GAS5在乳腺癌組織中特異性低表達(dá)，而線粒體相關(guān)節(jié)點(diǎn)代謝酶在腫瘤組織中則特異性高表達(dá)。這印證了線粒體“發(fā)電廠”對(duì)腫瘤增殖的重要作用及GAS5的抑癌角色。
過(guò)表達(dá)GAS5顯著抑制腫瘤中線粒體能量代謝節(jié)點(diǎn)的緊密“環(huán)扣”及腫瘤增殖，證實(shí)了線粒體TCA循環(huán)對(duì)腫瘤發(fā)生發(fā)展的重要支持作用。楊作臻介紹：“針對(duì)GAS5或可開(kāi)發(fā)成為腫瘤的警報(bào)器，指示腫瘤的發(fā)生發(fā)展，為腫瘤臨床診斷提供了新的潛在分子靶標(biāo)。”
該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、浙江大學(xué)、浙江大學(xué)癌癥研究院等各項(xiàng)目的大力支持。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s42255-020-00325-z
（文 柯溢能/圖片由受訪人提供）
