線粒體DNA耗竭綜合征（Mitochondrial DNA Depletion Syndrome，簡稱MTDPS）是一組罕見的遺傳疾病，其特點是患者細胞內的線粒體DNA含量顯著降低。MTDPS可以分為多個亞型，其中最常見的亞型是由於缺乏線粒體DNA複製酶或DNA修複酶所導致的。這些酶的缺陷會幹擾線粒體DNA的複製和修複過程，使得線粒體內的DNA逐漸減少。由於線粒體DNA在編碼線粒體蛋白質所需的基因中起著關鍵作用，MTDPS患者往往出現線粒體蛋白質的缺乏或功能異常。這會導致細胞能量代謝受損，進而影響多個器官和組織的功能。臨床表現方麵，MTDPS患者常常表現為全身性疾病，包括肌無力、肝功能異常、神經係統障礙等。病情的嚴重程度和症狀的種類可以因亞型的不同而有所差異。
Cullin家族E3泛素連接酶底物亞基—FBXL4是新發現的一個MTDPS亞型（MTDPS13）致病基因。病人的臨床表型主要表現為高乳酸血症，發育遲緩和肌張力減退為特征的多係統疾病，其他特征包括喂養困難、小頭畸形、高氨血症、癲癇發作、肥厚型心肌病、肝轉氨酶升高、複發性感染和麵部特征多樣等。目前尚無有效的治療策略。因此，闡明FBXL4突變致病的分子機製，尋找有效的靶向幹預治療手段是亟待解決的臨床難點問題。
2023年8月12日，万博英超狼队网官方网 王陳繼團隊、基礎醫學院馬麗香團隊、附屬婦產科醫院趙世民團隊和上海市兒童醫院陳育才團隊合作在Cell Death & Differentiation在線發表了題為 FBXL4 mutations cause excessive mitophagy via BNIP3/BNIP3L accumulation leading to mitochondrial DNA depletion syndrome的研究論文（圖一）。該研究發現FBXL4基因突變導致線粒體自噬（mitophagy）受體BNIP3和BNIP3L蛋白異常積累，線粒體自噬過度激活，進而導致線粒體數目急劇下降，是其突變致病的內在分子機製。
鑒於FBXL4是一個Cullin家族E3泛素連接酶底物亞基，研究人員首先猜測FBXL4可能參與了和線粒體穩態維持相關蛋白的泛素化修飾調控。通過蛋白質親和純化質譜技術，研究人員發現BNIP3和BNIP3L是FBXL4的潛在互作蛋白。BNIP3和BNIP3L屬於BCL-2家族的成員，是定位在線粒體外膜的膜蛋白。它們的轉錄表達受到低氧誘導因子HIF1α所調控。當細胞處於低氧狀態時，BNIP3和BNIP3L的表達水平上調。它們通過與自噬核心蛋白LC3/GABARAPs結合，促進線粒體與自噬體的結合並降解。這種選擇性的線粒體自噬有助於維持細胞內線粒體的數量和和功能，從而維持細胞的穩態。
後續的實驗證實，BNIP3/3L蛋白的半衰期很短，泛素化降解作用活躍。FBXL4可以和BNIP3/3L特異性結合，並促進其通過蛋白酶體途徑的泛素化降解。細胞中FBXL4敲除導致的線粒體數目顯著下降和代謝異常表型可以被同時敲減BNIP3/3L的表達所逆轉。MTDPS13病人來源的FBXL4錯義突變體不能正確組裝成CUL1-RBX1-FBXL4 E3泛素連接酶複合體，導致BNIP3/3L的泛素化降解受阻。異常積累的BNIP3/3L導致細胞在非應激條件下即存在過度的線粒體自噬，線粒體數目顯著下降，從而導致患者神經係統在內的多係統異常臨床表型（圖二)。
為了進一步確證上述分子機製，研究人員從一名FBXL4移碼突變（p.L332Tfs*3）的MTDPS13患者獲取外周血單核細胞，然後通過重編程技術誘導成多能幹細胞（iPSCs），然後將iPSCs分化為神經前體細胞（NPCs）或成熟皮質神經元（Cortical Neurons）。進一步檢測發現， FBXL4突變的神經前體細胞或皮質神經元中，BNIP3/3L蛋白異常累積，並且表現出的遠高於對照的線粒體自噬發生。此外根據病人突變位點構建的位點敲入小鼠模型也證實FBXL4突變導致小鼠腦、心、肝和肺等多器官中BNIP3/3L蛋白異常累積和線粒體數量顯著降低。在FBXL4突變小鼠的成纖維細胞(MEFs)中同時敲低BNIP3/3L的表達即可逆轉自發性的高水平線粒體自噬。由此，在小鼠模型和病人來源的iPSCs誘導分化的神經細胞體係得到的結果進一步支持了上述分子機製。
最後，研究人員討論了該病潛在的靶向治療手段。鑒於BNIP3/3L的異常積累是MTDPS13的致病原因，後續可通過PROTAC技術設計並合成促進BNIP3/3L的靶向降解的小分子，降低突變細胞內的BNIP3/3L的蛋白水平來抑製過高的線粒體自噬，從而實現靶向治療的目的。此外，某些已知的抑製線粒體自噬的小分子，如mDivi-1等，也有拮抗BNIP3/3L積累導致的高水平線粒體自噬的應用潛力。
總之，這項工作將從“FBXL4-BNIP3/3L-mitophagy”調節軸的全新角度詮釋FBXL4突變引起線粒體DNA耗竭綜合征的分子機製，為後續的靶向治療提供了堅實的理論依據。
圖二、FBXL4突變導致線粒體DNA耗竭綜合征13型的分子機製。
万博英超狼队网官方网 博士生陳瑩佶、焦冬月，狗万外围充值 基礎醫學院碩士生劉陽為該論文第一作者。王陳繼、馬麗香、趙世民和陳育才為該文的通訊作者。
原文連接：https://www.nature.com/articles/s41418-023-01205-1