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戏说美脂LipidTalk-22:饥饿下过氧化物酶体与脂滴时空特异互作调控脂类分解

已有 2086 次阅读 2020-2-22 16:52 |系统分类:科研笔记

王彦利


1. 文章来源介绍

韩国Jae Bum Kim实验室于2020129日在Nature Communications杂志发表了题为“Spatiotemporal contact between peroxisomes and lipid droplets regulates fasting-induced lipolysis via PEX5”的文章。报道了,饥饿过程中过氧化物酶体借助于驱动蛋白KLFC3向脂滴移动并与之接触,过氧化物酶体蛋白PEX5将甘油三酯脂酶ATGL空间特异地转移到脂滴上分解脂质,提供能量,维持体内能量平衡。

 

2. 研究背景及科学问题

细胞以脂肪(主要是甘油三酯和胆固醇酯)的形式将多余的能量储存在脂滴,而能量供应不足时脂滴中存储的脂类会被分解为胞内基础代谢提供能量。脂代谢异常和很多代谢性疾病相关[1]。因此,生物体内脂类合成和分解严密调节尤为重要。能量供应不足时,蛋白激酶PKAPLIN1磷酸化,释放CGI-58CGI-58ATGL-1启动脂类分解[2,3]。然而,这些代谢酶如何转移到脂滴大多未知。有研究发现,过氧化物酶体可以与脂滴接触,而且过氧化物酶体缺陷可以抵抗饥饿诱导的脂肪分解,提示脂滴-过氧化物酶体的物理接触可能参与脂质的运输、维持体内能量稳态。

 

3. 主要技术方法

作者使用了包括秀丽线虫、小鼠细胞、敲除小鼠等多种模型,说明了饥饿条件下过氧化物酶体在调控能量稳态方面的重要性及保守性。还使用超分辨显微成像及荧光追踪方法观察蛋白的亚细胞定位,生化验证实验上使用CO-IP和原位邻位连接分析等技术确定了PEX5ATGL蛋白之间的相互作用。

 

4. 重要发现

1) 饥饿下过氧化物酶体借助微管驱动蛋白向脂滴滑动并与脂滴共定位

通过饥饿诱导处理,秀丽线虫、小鼠皮下白色脂肪组织和分化的脂肪组织均观察到脂滴与过氧化物酶体发生共定位,而且在分化的脂肪组织中观察到过氧化物酶向脂滴移动。已有研究报道胞内微管及驱动蛋白KIFC3可调控过氧化物酶体的运动[4],作者通过添加药物抑制或者基因敲除的方法抑制了两种蛋白的功能,发现过氧化物酶体不能再向脂滴移动,而且脂滴的分解也被抑制。

2) ATGL转移到脂滴上促进脂类分解

为了确定过氧化物酶体移动到脂滴上如何促进脂类分解,作者观察了饥饿条件下ATGL的定位。结果显示饥饿诱导可促使ATGL和过氧化物酶体的共定位增强。进一步的蛋白酶保护试验和超分辨显微镜观察也发现ATGL定位在脂滴附近的过氧化物酶体表面,且抑制过氧化物酶体的运动则会阻止ATGL移位到脂滴表面。

3) PEX5引导ATGL定位到脂滴上

为探索过氧化物酶体如何引导ATGL脂滴转移,作者对秀丽线虫过氧化物酶体蛋白进行RNAi筛选,发现过氧化物酶体蛋白PEX5突变可抑制饥饿条件下ATGL对脂质的分解。小鼠白色脂肪组织中发现,PEX5被干扰后ATGL-1在脂滴上的定位均被抑制。说明ATGL需要由PEX5引导才能定位到脂滴表面来激活脂质水解。

4) PEX5ATGL互作促进脂类水解

为解释PEX5是如何引导ATGL到脂滴上,作者观察了饥饿条件下二者的亚细胞定位。发现饥饿诱导可导致PEX5ATGL均大量的转移到脂滴表面,而且免疫共沉淀实验和原位邻位连接分析都显示二者之间有相互作用。而将PEX5ATGL同时过表达则可以大大抑制饥饿引起的脂质分解。由于饥饿条件下PKA会被激活,可能会通过磷酸化作用影响PEX5ATGL的互作。作者通过生化验证确实发现PEX5的磷酸化升高,而且PEX5ATGL的互作也增强。相反,去磷酸化实验则导致PEXATGL的互作被大大减弱。这说明PKA活化可以磷酸化PEX5,而磷酸化的PEX5则可招募ATGL到脂滴上去调控饥饿诱导的脂类分解。

 

5. 重要性或对领域贡献

本研究发现在营养不足情况下,过氧化物酶体和过氧化物酶PEX5在调节能量稳态过程发挥重要作用。即饥饿条件下过氧化物酶体(而非线粒体)可在第一时间做出反应,在驱动蛋白KIFC3的作用下沿着微管向脂滴移动。同时饥饿也激活蛋白激酶PKA,而且PKA可增加过氧化物酶蛋白PEX5的磷酸化,增加其与胞质中ATGL的结合。如此,过氧化物酶体上的PEX5顺利把ATGL引导到过氧化物酶体与脂滴的接触位置,ATGL发挥其水解活性,将脂质水解,释放出自由脂肪酸和甘油。自由脂肪酸则被过氧化物酶体或线粒体beta氧化为细胞提供能量,保证了胞内能量的稳态。

 

6. 存在问题及分析

ATGL被引导到脂滴表面增强脂质的水解。那么,水解后的脂肪酸又是如何被快速的beta氧化呢?过氧化物酶体已经与脂滴接触,是否水解的脂肪酸直接优先进入过氧化物酶酶体进行beta氧化呢?反之,如果水解后的自由脂肪酸仍要优先进入线粒体beta氧化,这些自由脂肪酸是以囊破运输或者其它什么方式快速到达线粒体也是未知的。另外,ATGL并不具有过氧化物酶体定位序列,PEX5ATGL的互作不是传统的结合方式,其结合位点涉及到哪些氨基酸残基也有待研究。

 

原文链接:http://dx.doi.org/10.1038/s41467-019-14176-0 

 

参考文献:

1. Welte,M. A. Expanding roles for lipid droplets. Curr. Biol. 25, R470–R481(2015).

2. Zimmermann,R. et al. Fat mobilization in adipose tissue is promoted byadipose triglyceridelipase. Science 306, 1383–1386 (2004).

3. Reimann,E. M., Brostrom, C. O., Corbin, J. D., King, C. A. & Krebs, E. G.Separationof regulatory and catalytic subunits of the cyclic 3’,5’-adenosinemonophosphate-dependentprotein kinase(s) of rabbit skeletal muscle.Biochem. Biophys. Res. Commun. 42,187–194 (1971).

4. Dietrich,D., Seiler, F., Essmann, F. &Dodt, G. Identification of the kinesinKifC3 asa new player for positioning of peroxisomes and other organelles inmammaliancells. Biochim. Biophys. Acta 1833, 3013–3024 (2013).

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