文獻(xiàn)導(dǎo)讀

2021年3月22日，來自華南理工大學(xué)的Bo Xiao教授和約翰霍普金斯大學(xué)Paul F. Worley教授在 Developmental Cell聯(lián)合發(fā)表了題為“Rheb mediates neuronal-activity-induced mitochondrial energetics through mTORC1-independent PDH activation”的文章。該文章揭示了Rheb在線粒體能量調(diào)節(jié)中的作用。

研究介紹

神經(jīng)元可以協(xié)調(diào)能量調(diào)節(jié)和突觸可塑性?；顒?dòng)調(diào)節(jié)的神經(jīng)能量學(xué)對(duì)于維持神經(jīng)元功能的能量穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要，而神經(jīng)元間突觸信號(hào)/傳輸?shù)脑黾訒?huì)導(dǎo)致更多的能量消耗。無論是休息時(shí)還是活動(dòng)時(shí)，神經(jīng)元都需要乳糖和葡萄糖作為能量來源。神經(jīng)元可以協(xié)調(diào)能量調(diào)節(jié)和突觸可塑性。但是，神經(jīng)元線粒體如何適應(yīng)增加的能量供應(yīng)(活性誘導(dǎo)的乳酸和丙酮酸消耗在這種情況下)，以增加線粒體活性和ATP的生產(chǎn)還沒有完全明晰。Rheb是一種小H-Ras-like GTPase，是溶酶體表面雷帕霉素復(fù)合物1（mTORC1）機(jī)制靶點(diǎn)的直接和必要激活劑。在研究Rheb在突觸信號(hào)傳導(dǎo)和細(xì)胞分化中的作用是，發(fā)現(xiàn)Rheb與丙酮酸代謝的能量調(diào)節(jié)中的線粒體調(diào)節(jié)有關(guān)。

為了探究Rheb是否直接調(diào)控線粒體功能，作者先對(duì)Rheb的表達(dá)進(jìn)行定位，發(fā)現(xiàn)在海拉細(xì)胞中Rheb與線粒體標(biāo)記物共定位。之后，作者對(duì)線粒體進(jìn)行生化分離和亞細(xì)胞分離，證實(shí)線粒體基質(zhì)中存在Rheb。并且，線粒體基質(zhì)中的Rheb的存在隨著神經(jīng)元活性和代謝需求的增強(qiáng)而增強(qiáng)。不僅如此，作者還發(fā)現(xiàn)Rheb通過與線粒體外膜受體Tom20結(jié)合，通過Tom20的作用轉(zhuǎn)運(yùn)到線粒體基質(zhì)中。

那么Rheb在線粒體中到底發(fā)揮著怎樣的作用呢？首先，作者將神經(jīng)細(xì)胞中的Rheb敲除后發(fā)現(xiàn)線粒體能量代謝的中心代謝物（乙酰輔酶A和ATP）含量明顯低于對(duì)照組。乙酰輔酶A水平的降低表明丙酮酸向乙酰輔酶A的轉(zhuǎn)化受到抑制。而丙酮酸是通過PDH氧化成乙酰輔酶A的，因此神經(jīng)元中PDH活性的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)可能在活性調(diào)節(jié)的線粒體能量學(xué)中發(fā)揮作用。根據(jù)這一推斷，作者發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞中Rheb的缺失增加了磷酸化的PDH-E1α水平。之后，作者敲除興奮性神經(jīng)元中的Rheb，PDH-E1α水平也同樣上升，并且PDH-E1α磷酸化也與Rheb的缺失密切相關(guān)。但是，Rheb對(duì)PDH的調(diào)節(jié)可能并不以來mTORC1的激活。與敲除Rheb神經(jīng)元中ATP生成減少的發(fā)現(xiàn)相一致的是，腺苷二磷酸（ADP）水平升高，表明ADP向ATP的磷酸化減少。為了彌補(bǔ)ATP產(chǎn)生的減少，神經(jīng)元可以使用更多的磷酸肌酸來產(chǎn)生ATP。

PDH活性和乙酰輔酶A /ATP水平對(duì)神經(jīng)元功能和軸突完整性的維持至關(guān)重要。因此，作者研究了Rheb在軸突完整性的維持中是否起作用。結(jié)果表明，神經(jīng)元Rheb敲除小鼠出現(xiàn)年齡依賴性軸突變性，包括軸突-膠質(zhì)粘連分離，有髓鞘軸突塌陷，產(chǎn)生空髓鞘。進(jìn)而，作者想探尋Rheb對(duì)PDH的調(diào)節(jié)是否是細(xì)胞調(diào)節(jié)線粒體代謝的一般機(jī)制。Rheb和mTOR的缺失使mTORC1活性降低，Rheb缺失增加了肝臟中磷酸化的PDH- E1α，而mTOR缺失并沒有改變磷酸化的PDH，這表明Rheb激活PDH獨(dú)立于其激活mTORC1的作用。Rheb通過激活PDH發(fā)揮調(diào)節(jié)線粒體能量產(chǎn)生的一般作用。

PDH是由2種PDH磷酸酶(PDPs)的亞型介導(dǎo)的去磷酸化激活的。PDP1在大腦中占主導(dǎo)地位，其活動(dòng)表現(xiàn)出Ca2+敏感性，PDP2在肝臟中富集，對(duì)Ca2+不敏感。實(shí)驗(yàn)表明，GST-Rheb可以與HEK293T細(xì)胞中表達(dá)的重組ha標(biāo)記的PDP2互作。GST-Rheb不結(jié)合pdp2相關(guān)的磷酸酶PP2C，說明了Rheb-PDP相互作用具有特異性。并且，Rheb促進(jìn)PDP-PDH復(fù)合物結(jié)合，提高了PDP對(duì)PDH-E1α磷酸酶的活性影響。通過Rheb在神經(jīng)元中的表達(dá)可以誘導(dǎo)線粒體PDH激活。接下來，作者使用BDNF處理誘導(dǎo)Rheb表達(dá)并減少PDH磷酸化，結(jié)果表明活性誘導(dǎo)的PDH激活是由Rheb介導(dǎo)的神經(jīng)元在持續(xù)刺激下，直接影響活性誘導(dǎo)的ATP的產(chǎn)生的。從機(jī)制上講，Rheb與PDP物理結(jié)合，增強(qiáng)其活性，并與PDH-E1α亞基結(jié)合，從而減少PDH磷酸化，提高其活性。研究發(fā)現(xiàn)，Rheb是一個(gè)通過Rheb- PDH軸平衡神經(jīng)元活動(dòng)和神經(jīng)能量的節(jié)點(diǎn)。