劉興國/田梅團隊發現線粒溶酶體（mitolysosome）胞吐：帕金森癥線粒體質量控制新途徑

點評 | 蘇國輝（暨南大學）、李巍（首都醫科大學）、劉強（中國科學技術大學）、顧正龍/郭利淑（復旦大學）

線粒體質量控制對于線粒體穩態和功能至關重要，其失控會損傷各器官，尤其會導致大腦功能的嚴重損害。線粒體質量控制主要通過線粒體自噬，由自噬體吞噬受損的線粒體實現。線粒體自噬主要包括：PINK1-PARK2途徑去除受損和喪失電勢的線粒體?【1】，BNIP3L或FUNDC1等受體依賴的線粒體自噬?【2,3】，和ULK1/RAB9 依賴的非經典自噬?【4】。此外，損傷的線粒體可以通過遷移體介導而外泌【5】。然而，線粒體全新的質量控制途徑，是亟待挖掘的基本科學問題。

帕金森癥（Parkinsonism）是一種衰老相關的神經退行性綜合征。線粒體，特別是PINK1-PARK2介導線粒體質量控制，是帕金森癥的重要病因。藥物誘發的帕金森癥是僅次于原發性帕金森病的第二大帕金森癥。氟桂利嗪（Flunarizine）作為一種鈣離子通道抑制劑被廣泛用于治療眩暈、偏頭痛、癲癇、和外周血管疾病，其誘導的帕金森癥占據著很高的比重。但是有別于原發性帕金森病，藥物誘導帕金森癥的發病機制仍然未知，極大地制約著這類疾病的預防和治療。

2022年4月13日，?Science Advances以長文發表了中科院廣州生物醫藥與健康研究院劉興國課題組和浙江大學田梅課題組合作的原創性研究成果?Mitolysosome exocytosis, a mitophagy-independent mitochondrial quality control in flunarizine-induced parkinsonism-like symptoms?。該工作發現氟桂利嗪誘導線粒體功能障礙并特別減少大腦中的線粒體數目，揭示了一條獨立于線粒體自噬的新途徑，即線粒體直接被溶酶體吞噬形成線粒溶酶體（mitolysosome）并通過胞吐排到細胞外，繼而闡明了氟桂利嗪誘發帕金森癥的病理機制。該工作不僅發現帕金森癥中線粒體質量控制的細胞器互作新模式，而且建立了一種基于化合物且無需基因操作制備無線粒體細胞的新方法。【6】

氟桂利嗪可以導致小鼠產生類帕金森癥的表型：運動協調能力下降、學習記憶能力減退等，同時病理研究發現紋狀體多巴胺濃度下降。研究人員采用正電子發射斷層顯像和X射線斷層掃描（PET-CT）表明氟桂利嗪導致腦葡萄糖攝入升高。進一步，研究人員通過系統監測多個器官組織中線粒體數目，發現氟桂利嗪導致腦線粒體總量特異下降。研究人員驚奇的發現，在人神經前體細胞中，氟桂利嗪導致線粒體數目急劇下降，3天后幾乎所有的線粒體消失了！

針對氟桂利嗪在體內和體外均導致線粒體消除的現象，研究人員進行了機制研究。這一線粒體消除的作用，不依賴于 ATG5 介導的經典自噬和 ULK1/RAB9 介導的非經典自噬，也不依賴于PINK1-PARK2途徑和受體依賴的線粒體自噬。氟桂利嗪誘發線粒體與溶酶體通過一種直接融合的方式產生新型結構—線粒溶酶體（mitolysosome），mitolysosome隨后通過VAMP2/STX4依賴囊泡形式的胞吐作用而排到細胞外，從而導致細胞中的線粒體總量下降。進一步通過基于全基因組范圍CRISPR/Cas9敲除篩選確定了調控這一過程的系列基因。因為線粒體胞吐在病理生理環境中均發生，本研究發現溶酶體依賴的新型線粒體胞吐途徑可能具有廣泛的生理病理意義。

更重要的是，通過氟桂利嗪處理建立了產生完全去除線粒體的哺乳動物細胞的方法。這種方法與以往Richard Youle教授建立的Park2過表達結合解耦聯劑處理不同，本方法只需化合物處理。研究人員在人、鼠的多種細胞嘗試獲得了完全不含線粒體的細胞。這種新型細胞模型有著廣闊的應用前景：可以對帶有線粒體DNA突變的病人細胞線粒體進行清除，結合線粒體傳遞技術矯正線粒體的遺傳缺陷；也可以直接通過這一不含線粒體干擾的新模型研究線粒體新功能。

這一線粒體經溶酶體外泌而離開神經元，稱為“離”， 而引發的個體類帕金森癥運動障礙，稱為“騷”，合稱為“線粒體離騷”。《離騷》的作者偉大愛國者屈原離開，而引發的楚國動蕩（shaking），與此可以類比。“茫茫腦海動如梭”，線粒體在神經軸突運動并提供能量。線粒體之與神經元，如同屈原之于楚國，都起到能量供給的“主沉浮”的作用。“屈子一日求索去，荊楚安得不蹉跎？”，線粒體離開神經元，個體出現歲月蹉跎的退行性表型。

帕金森癥中線粒溶酶體（mitolysosome）胞吐新途徑

本研究的帕金森癥表型部分與中山大學黎明濤教授團隊合作完成，線粒體自噬部分與南開大學陳佺教授團隊合作完成，并得到鄭州大學等多個團隊的合作。

中國科學院廣州生物醫藥與健康研究院副研究員包飛翔為該論文第一作者，劉興國研究員和浙江大學田梅教授（現復旦大學人類表型組研究院執行院長）為該論文的共同通訊作者。

原文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abk2376

線粒體在中樞神經生理、衰老、損傷、再生中均發揮重要作用。以視神經為例，線粒體DNA突變或融合蛋白OPA1突變會引起視網膜節細胞特異受累，而造成視覺受損甚至失明。衰老及神經退行性疾病中，線粒體也一直被認為發揮重要作用，但是線粒體起到的具體機制和功能仍然不清楚。人們進行的神經保護和再生的努力中，線粒體作為能量代謝和信號的中心細胞器，線粒體在藥物與非藥物干預中的作用也亟待研究。

劉興國等的工作發現藥物誘發神經退行性疾病中腦這一器官發生特異的線粒體消除，并發現線粒體被溶酶體直接吞噬而外泌到神經細胞外的新途徑。這一發現獨立于大家已知的帕金森癥中PINK1-PARK2介導的線粒體自噬，具有很好的創新性。這些工作為神經退行性疾病提供新的病理機制和治療靶點。

同時，這一線粒溶酶體（mitolysosome）模式的發現是線粒體損傷引發神經病變研究的良好范例。對于神經保護和再生，線粒體如何在亞細胞水平、細胞間起作用，如何在藥物和非藥物干預中應答，都值得深入研究。

活細胞內各種細胞器處于不斷的動態變化，其中涉及到細胞器之間的相互作用甚至相互融合與分裂，以完成物質的交換、運輸、降解和清除等，維持細胞的穩態或者應對細胞內外的應激反應。成熟的體細胞大多富含線粒體，其數量和質量控制機制決定細胞的功能、命運或存活與死亡。從細胞器互作網絡來看，線粒體是該互作網絡的一個重要節點（hub），與線粒體本身和其它細胞器如內質網、溶酶體、脂滴和一些特殊類型細胞中的特化細胞器存在緊密型物理接觸，并由特殊的分子機器來介導這類細胞器之間的接觸，完成某些物質的交換，在細胞器穩態維持中發揮重要作用，也是真核細胞中某些分子跨越分區化的細胞器的物理屏障，在不同細胞器發揮功能的原因。特殊情況下，這些物理接觸可能直接導致細胞器之間的同型（homotypic）或者異型（heterotypic）融合，參與細胞器發生或形成一種雜合細胞器，發揮特定的生理功能。

劉興國研究員和田梅教授等課題組合作，最新發表在Science Advances的研究成果中，通過探討一種鈣離子通道抑制劑氟桂利嗪（Flunarizine, FNZ）的誘發帕金森樣病的作用機制中，意外地發現FNZ可使神經元和膠質細胞的線粒體數目明顯減少，并觀察到一種由溶酶體和線粒體融合產生的雜合型細胞器，被稱為mitolysosome的出現，后者通過VAMP2-STX4介導胞吐，實現對線粒體的清除。這是已經發現的經典自噬、線粒體自噬、非經典自噬性分泌、遷移體介導的線粒體清除等多種線粒體清除方式中，又一新的線粒體穩態控制的新途徑，并對FNZ誘發的帕金森樣病的發病機制有更深入的了解，為其干預提供了新的思路，也為研究mitolysosome的形成和分泌的調控機制提供了新的研究方向。

衰老及神經退行性疾病發生中的細胞器穩態和細胞代謝的調控一直是非常重要但尚不清楚的科學問題。劉興國等的最新研究成果在解決這一科學問題上做出了創新性的發現。該工作提出了藥物誘發神經退行性疾病的腦特異線粒體消除的新表型，和線粒體經溶酶體胞吐的新概念。這些發現為神經退行性疾病診斷、治療提供新的理論指導和實踐依據。

該工作闡明了線粒體、溶酶體等細胞器功能失調如何引發帕金森癥狀。線粒體作為能量代謝調控的核心細胞器，在神經細胞的生理功能中發揮了重要的調控作用。線粒體功能失調是帕金森癥、阿爾茨海默癥等疾病的重要病因。PINK1-PARK2介導的線粒體-自噬體互作在帕金森癥中的作用，已經發展為一個重要領域。本文的發現則不落窠臼，提出獨立于線粒體自噬外的線粒體溶酶體互作新途徑，并闡明了這一全新線粒體質量控制參與調控帕金森癥。

線粒體胞吐是最近被報道的在細胞間互作的新型方式，在生理病理環境中均有發現。例如在腦內，神經元和星形膠質細胞可以釋放線粒體，以便在體內循環和轉移。本研究中鑒定的溶酶體相關的新型線粒體胞吐機制可能在基礎條件下和病理條件中的線粒體質量控制中發揮廣泛作用。

在長期的內共生中，線粒體演變進化形成了多種質量控制系統，以便與其他細胞器進行交流并參與決定了諸多細胞功能。線粒體通過氧化磷酸化產生ATP，同時也是活性氧（ROS）產生的主要場所。線粒體通透性轉換孔（PTP）的開放參與細胞內ROS/鈣穩態和細胞死亡，調控細胞代謝、干細胞命運、線粒體自噬和疾病發生。線粒體質量控制通過多種途徑包括蛋白質穩態、生物合成、動力學、線粒體自噬來維持線粒體穩態和功能。線粒體是動物中唯一有自己遺傳物質的細胞器（mtDNA）。大部分mtDNA區域編碼重要功能，同時mtDNA突變率很高，從而影響線粒體功能。線粒體自噬選擇性清除受損或者多余的線粒體，保留必要數量的正常功能線粒體，主要途徑為PINK1-Parkin通路、Parkin非依賴途徑以及受體如FUNDC1和PHB2等。最新研究表明通過遷移體將線粒體釋放出去的Mitocytosis過程是一種新的線粒體質量控制機制。那么，是否存在其他途徑參與清除線粒體和質量控制？

線粒體穩態和功能的破壞在神經退行性疾病的發生發展中起著重要作用。線粒體功能失調是帕金森癥的一個共同特征，伴隨著呼吸鏈的損傷、ROS含量升高、mtDNA突變、線粒體形態學改變等。帕金森癥還表現為顯著減少的線粒體自噬，PINK1和Parkin的功能性突變導致早發性帕金森病。最新的研究表明大量的帕金森癥患者呈現外周線粒體和溶酶體功能障礙，且與家族性疾病中觀察到的表型重疊。因此，深入研究線粒體功能失調和自噬的分子機制，探索新的線粒體質量控制途徑，將會為帕金森癥的治療提供新的機會。

劉興國、田梅等團隊在Science Advances合作發表了題為?Mitolysosome exocytosis, a mitophagy-independent mitochondrial quality control in flunarizine-induced parkinsonism-like symptoms?的研究長文。該研究報道了一種全新的線粒體消除機制，即線粒體與溶酶體融合形成一種新型結構-線粒溶酶體（mitolysosome）并通過胞吐作用而排到細胞外的新途徑。長期服用氟桂利嗪會誘導帕金森癥，但是發病機制仍不清楚。他們發現氟桂利嗪能夠誘導線粒體功能失調并顯著減少線粒體數量，該作用機制不同于經典的和非經典的自噬途徑，而是通過溶酶體關聯的胞外分泌機制。

該研究工作進一步拓展了對線粒體質量控制的調控機制的認識；揭示了細胞器互作對線粒體穩態和功能的作用；闡明了溶酶體吞噬線粒體并胞吐到細胞外，從而導致線粒體總量減少的分子機制；發現了氟桂利嗪處理能夠清除線粒體，這為構建不含線粒體的細胞模型提供了新的方法，為探索是否線粒體功能依賴的研究提供了便捷的模型，此外，為通過清除突變的mtDNA后替換正常的mtDNA進行疾病的治療提供了重要策略。

1, D. Narendra, A. Tanaka, D. F. Suen, R. J. Youle, Parkin is recruited selectively to impaired mitochondria and promotes their autophagy.?J. Cell Biol.?183, 795-803 (2008).

2, L. Liu, D. Feng, G. Chen, M. Chen, Q. X. Zheng, P. P. Song, Q. Ma, C. Z. Zhu, R. Wang, W. J. Qi, L. Huang, P. Xue, B. W. Li, X. H. Wang, H. J. Jin, J. Wang, F. Q. Yang, P. S. Liu, Y. S. Zhu, S. F. Sui, Q. Chen, Mitochondrial outer-membrane protein FUNDC1 mediates hypoxia-induced mitophagy in mammalian cells.?Nat. Cell Biol.?14, 177-185 (2012).

3, G. Xiang, L. Yang, Q. Long, K. Chen, H. Tang, Y. Wu, Z. Liu, Y. Zhou, J. Qi, L. Zheng, W. Liu, Z. Ying, W. Fan, H. Shi, H. Li, X. Lin, M. Gao, J. Liu, F. Bao, L. Li, L. Duan, M. Li, X. Liu, BNIP3L-dependent mitophagy accounts for mitochondrial clearance during 3 factors-induced somatic cell reprogramming,?Autophagy, 2017, 13(9):1543-1555.

4, S. Honda, S. Arakawa, Y. Nishida, H. Yamaguchi, E. Ishii, S. Shimizu, Ulk1-mediated Atg5-independent macroautophagy mediates elimination of mitochondria from embryonic reticulocytes.?Nature Communications?5, ?(2014).

5, H. Jiao, D. Jiang, X. Hu, Y.-H. Wei, X. Hu, L. Yu, Mitocytosis, a migrasome-mediated mitochondrial quality-control process.?Cell?184, 2896 – 2910.e2813 (2021).

6, F. Bao, L. Zhou, R. Zhou, Q. Huang, J. Chen, S. Zeng, Y. Wu, L. Yang, ?S. Qian, M. Wang, X. He, S. Liang, J. Qi, G. Xiang, Q. Long, J. Guo, Z. Ying, Y. Zhou, ?Q. Zhao, J. Zhang, D. Zhang, W. Sun, M. Gao, H. Wu, Y. Zhao, J. Nie, M. Li, Q. Chen, J. Chen, X. Zhang, G. Pan, H. Zhang, M. Li, ?M. Tian, X. Liu, Mitolysosome exocytosis, a mitophagy-independent mitochondrial quality control in flunarizine-induced parkinsonism-like symptoms.?Science Advances, online.