PGC-1α介导的线粒体稳态失衡在线粒体病发病机制中的作用

Mitochondrial encephalomyopathies are multisystemic diseases, which can be caused by mutation of mitochondrial DNA (mtDNA) and nuclear DNA(nDNA). Unfortunately, the effective clinical treatments for these devastating diseases are lacking. There is growing evidence that the crosstalk between mitophagy and mitochondrial biogenesis in cells is essential for mitochondrial homeostasis in response to cellular stress. Our study found that: PGC-1α is up-regulated in patients with mtDNA mutations and compensates for the mitochondrial respiratory chain defect by promoting mitochondrial biogenesis and inhibiting mitopahgy. it remains unclear how this coactivator switches on/off in the regulation of mitochondrial turnover in patients with mtDNA mutations.In this work, we aimed to characterize the role of PGC-1α in mitochondrial homeostasis in patients with mtDNA mutations. we will investigate the signaling pathways that both regulated mitophagy and mitochondrial biogenesis in the muscle specimens and fibroblasts of mitochondrial disease patients, to find an effective clinical treatments for mitochondrial diseases.

线粒体病是一组临床表现和致病基因复杂的疾病，缺乏有效的治疗手段。线粒体稳态的平衡，依赖线粒体生物发生和线粒体自噬间的平衡，决定了细胞内线粒体的数量和质量。在mtDNA突变引起的线粒体脑肌病中，异常线粒体的堆积是典型的病理特征，这种线粒体稳态不平衡的具体分子机制仍然不明确。我们的前期研究发现：PGC-1α在线粒体脑肌病患者细胞内表达增高，并且积聚在异常的线粒体中，其增高的程度与细胞内异常线粒体积聚的程度密切相关。我们推测： PGC-1α的异常表达，促进了线粒体生物合成过程的过度激活，同时抑制了线粒体自噬过程，导致病变线粒体在患者细胞内堆积。本研究拟通过体外分子干预、组织电镜分析以及蛋白质组学等方法，分析研究成肌细胞和线粒体病患者肌肉标本内PGC-1α介导线粒体稳态失衡的机制，提炼关键分子信号通路，重构线粒体稳态的平衡，促进正常线粒体增殖的同时特异性的清除病变线粒体，探索线粒体病治疗的新策略。

在线粒体DNA（mtDNA）突变患者中，最常见的肌肉组织病理学改变之一是破碎样红纤维(RRFs)和/或破碎样蓝纤维(RBFs)的出现，这是线粒体异常增殖的结果。线粒体的自噬与线粒体生物发生的失衡可能是RRFs/RBFs的潜在分子机制。在本研究中，我们的目的是研究PGC-1α在线粒体内稳态中的作用。我们对16例mtDNA突变患者的肌肉活检标本进行了分析。采用免疫组织化学、电镜观察等方法分析细胞和活检肌肉组织中线粒体生物发生、线粒体自噬过程和mTOR信号。我们发现PGC-1α在携带m.3243A>G突变的MELAS患者肌肉中表达增高，而且PGC-1α积聚在异常增生的线粒体中，但自噬蛋白标记物未见明显上调，提示PGC-1α的异常表达，促进线粒体生物合成过程过度激活，但异常的线粒体未激活线粒体自噬，引起病变线粒体在患者细胞内积聚。在体外实验中，在PGC-1α过表达的HEK-293细胞中自噬相关的各种蛋白表达均下调，说明PGC-1α抑制了PINK1-Parkin介导的线粒体自噬过程。同时在PGC-1α过表达的HEK-293细胞中mTOR通路激活，提示PGC-1α通过激活mTOR通路抑制了线粒体自噬过程。此外，我们还发现PGC-1α过表达的细胞和线粒体病肌肉组织中mTOR、p70s6激酶和S6核糖体蛋白下游靶点磷酸化水平的上调，提示mTOR介导的信号通路被激活。在致病性mtDNA突变引起的氧化应激下，PGC-1α上调表达，并通过促进线粒体生物发生和抑制线粒体自噬，导致野生型或突变型线粒体的增殖和积累。PGC-1α对线粒体疾病的呼吸链缺陷有不完全的补偿作用.