科學(xué)家繪制生命暗物質(zhì)“星空圖”

線粒體、溶酶體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等多種細胞器組成的細胞內(nèi)膜系統(tǒng)高效支撐了機體的正常生理活動。將單個細胞視作浩瀚宇宙，各細胞器就是宇宙星空中的點點繁星。如果要解開細胞器在重要細胞活動規(guī)律中的深邃奧秘，就需要深入解析細胞器的組分構(gòu)成及其作用模式;其中，生命“暗物質(zhì)”長非編碼核糖核酸（LncRNA），對細胞穩(wěn)態(tài)和疾病發(fā)生發(fā)揮了重要的調(diào)控作用，而其作為細胞器組分的分布規(guī)律并參與細胞調(diào)控的研究尚少。

近日，浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院研究員林愛福課題組，通過創(chuàng)建細胞器免疫親和純化體系，繪制了細胞器LncRNA圖譜，并從中揭示了線粒體細胞器LncRNA GAS5在幫助細胞應(yīng)對能源匱乏條件，調(diào)控線粒體代謝中的重要調(diào)控作用，為研究人類疾病發(fā)生機理提供了嶄新的視角。這項工作進展以封面文章形式刊發(fā)在《自然—代謝》。

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副研究員。浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院林愛福研究員為該論文的通訊作者。

如果要解開細胞器在重要細胞活動規(guī)律中的深邃奧秘，就需要深入解析細胞器的組分構(gòu)成及其作用模式。多年來，學(xué)界一直難以系統(tǒng)地對各類LncRNA清晰定位。這是因為通過密度梯度離心等方法進行組分分離分辨率有限，由于各有膜細胞器及其他無膜細胞器等組分的沉降系數(shù)范圍交疊，易產(chǎn)生不同細胞器組分間互相干擾，難以獲得特定細胞器RNA組分的精確檢測分辨率。

如何探明星體的精確坐標定位？林愛福研究團隊另辟蹊徑，開發(fā)了基于免疫親和純化的細胞器純化方案，將抗體免疫親和純化蛋白的方法，應(yīng)用到純化細胞器，通過抗體特異性抓取細胞器表面標志蛋白，在細胞勻漿液中將完整細胞器連帶提取。將基于該免疫親和純化方案提取的各精準細胞器進行RNA提取及高通量RNA測序分析，林愛福研究團隊繪制了細胞器LncRNA圖譜，發(fā)現(xiàn)細胞器LncRNA約占5.2%，并揭示了其潛在參與所在細胞器相關(guān)功能的調(diào)控。

該圖譜為細胞器定位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，先把各類星座坐標分類，然后逐級聚焦，進一步對感興趣的星體進行深入探索?！鄙Ａ杞芙榻B。

浙江大學(xué)求是特聘教授、細胞器生物學(xué)專家劉偉教授評價道，這項工作提供了細胞器RNA系統(tǒng)鑒定的新技術(shù)，有效規(guī)避了細胞器間交叉污染及無膜亞細胞結(jié)構(gòu)的串擾，充分保留了細胞器內(nèi)部及表面的原生狀態(tài)，對未來細胞器RNA研究提供了嶄新視角。

林愛福研究團隊發(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果酸脫氫酶（MDH2）像項鏈一樣扣在一起，CS與MHD2靠攏聚集形成代謝區(qū)室，促進了檸檬酸循環(huán)的可持續(xù)進行。

而線粒體LncRNAGAS5在細胞面對能量物質(zhì)匱乏時，進入并富集于線粒體，緩緩打開了代謝循環(huán)節(jié)點MDH2-CS的扣環(huán)，繼而抑制了線粒體的“發(fā)電”功能。“線粒體GAS5傳遞了細胞養(yǎng)料匱乏的信號，它的功能就像一個剎車，及時制止了無序的燃料發(fā)電過程?！鄙Ａ杞苷f。

通過腫瘤細胞實驗、體內(nèi)移植瘤實驗、臨床大樣本分析，林愛福研究團隊發(fā)現(xiàn)GAS5在乳腺癌組織中特異性低表達，而線粒體相關(guān)節(jié)點代謝酶在腫瘤組織中則特異性高表達。這印證了線粒體“發(fā)電廠”對腫瘤增殖的重要作用及GAS5的抑癌角色。

過表達GAS5顯著抑制腫瘤中線粒體能量代謝節(jié)點的緊密“環(huán)扣”及腫瘤增殖，證實了線粒體TCA循環(huán)對腫瘤發(fā)生發(fā)展的重要支持作用?！搬槍AS5或可開發(fā)成為腫瘤的警報器，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?！睏钭髡榻榻B說。

該研究得到國家自然科學(xué)基金委、浙江大學(xué)、浙江大學(xué)癌癥研究院等各項目的大力支持。