Drp1 controls complex II assembly and skeletal muscle metabolism by Sdhaf2 action on mitochondria

引言

骨骼肌作为人体最大的代谢器官，其线粒体功能完整性直接关系到全身能量稳态。近年研究表明，线粒体动力学异常与肥胖、2型糖尿病等代谢性疾病密切相关。传统认知中，动力相关蛋白1（Drp1）主要通过调控线粒体分裂维持细胞稳态，但加州大学洛杉矶分校周振琪/Andrea Hevener团队在《Science Advances》发表的研究揭示了Drp1在骨骼肌代谢中的全新功能：作为分子伴侣蛋白，Drp1通过调控琥珀酸脱氢酶组装因子2（Sdhaf2）的线粒体定位，直接影响复合体II的组装与活性，进而调控脂肪酸氧化和胰岛素敏感性。这一发现突破了线粒体形态学调控的经典框架，为代谢疾病治疗提供了新靶点。

研究背景与科学问题

线粒体复合体II（琥珀酸脱氢酶，SDH）是连接三羧酸循环与氧化磷酸化的关键酶，其活性依赖SDHA、SDHB、SDHC、SDHD四个核心亚基及Sdhaf1/Sdhaf2两个组装因子的协同作用。Sdhaf2特异性催化SDHA亚基的铁硫簇插入，对复合体II的稳定至关重要。既往研究证实，Sdhaf2缺陷导致复合体II组装失败，引发乳酸性酸中毒和线粒体肌病，但其上游调控机制尚未明确。

Drp1作为线粒体分裂的核心执行蛋白，其功能异常与神经退行性疾病和肌少症相关。然而，周振琪团队在肝脏中的研究发现，Drp1通过非分裂功能调控脂质代谢，提示该蛋白可能存在未被揭示的代谢调控角色。本研究聚焦骨骼肌，旨在解答三个核心科学问题：1）Drp1是否通过非分裂机制调控代谢？2）Sdhaf2是否介导Drp1的代谢效应？3）复合体II功能障碍如何影响骨骼肌代谢稳态？

实验设计与关键发现

1. 骨骼肌特异性Drp1敲除模型的表型分析

研究团队构建了骨骼肌特异性Drp1敲除小鼠（mDrp1-KO）及杂合子模型（mDrp1-HET）。结果显示：

• 代谢表型：杂合子小鼠即出现肌内脂质沉积增加50%，胰岛素刺激的葡萄糖摄取下降40%，与复合体II底物琥珀酸积累呈正相关。
• 线粒体形态：Drp1缺失导致线粒体超融合（hyperfusion），但形态改变与功能缺陷的关联性被打破——传统认知中线粒体分裂促进自噬清除损伤线粒体，而本研究显示Drp1缺失虽导致线粒体体积增大，但复合体II活性反而下降。
• 分子机制：通过免疫共沉淀结合质谱分析，发现Drp1与Sdhaf2存在直接相互作用，且该相互作用不依赖Drp1的GTP酶活性（线粒体分裂所必需）。

2. Drp1-Sdhaf2轴调控复合体II组装的机制验证

• 亚细胞定位研究：Drp1缺失导致Sdhaf2线粒体导入减少60%，胞质滞留增加，而线粒体外膜转运蛋白TOM20/TIM23表达无变化，提示Drp1作为分子伴侣协助Sdhaf2跨膜转运。
• 体外重组实验：在HEK293细胞中过表达Drp1可显著增强Sdhaf2的线粒体定位，且该效应不受线粒体分裂抑制剂Mdivi-1影响。
• 功能rescue实验：在Drp1敲除肌细胞中回补Sdhaf2可恢复复合体II活性至野生型水平的75%，同时逆转脂肪酸氧化速率下降和胰岛素抵抗。

3. 复合体II功能障碍的代谢后果

• 底物代谢流分析：Drp1缺失导致棕榈酸氧化速率下降40%，与肉碱棕榈酰转移酶1（CPT1）表达下调相关，而CPT1是线粒体脂肪酸摄入的关键限速酶。
• 胰岛素信号通路：复合体II活性抑制导致细胞质ATP/AMP比值下降，激活AMPK通路，但矛盾的是，AMPK激活本应促进葡萄糖摄取，实际却观察到胰岛素信号受损。进一步研究发现，琥珀酸积累通过抑制脯氨酸羟化酶（PHD）稳定HIF-1α，进而下调胰岛素受体底物1（IRS1）表达。
• 能量应激响应：线粒体超融合本应增强代谢产能，但复合体II缺陷导致反向电子传递（RET）增加，产生过量超氧化物，激活JNK通路，促进胰岛素抵抗。

机制创新与生物学意义

1. 理论突破：线粒体形态与功能的解耦联

传统模型认为线粒体分裂通过清除损伤线粒体维持功能，而本研究揭示Drp1可独立于分裂功能，通过分子伴侣作用调控代谢酶组装。这种形态与功能的解耦联提示，线粒体动力学蛋白可能具有“双重身份”：既是形态调控者，也是代谢执行者。

2. 病理关联：从单基因病到复杂代谢疾病

Sdhaf2突变导致的复合体II缺陷是常染色体隐性遗传病，但本研究显示，Drp1表达水平与骨骼肌代谢健康呈剂量依赖关系。在杂合子小鼠中，Drp1剂量减少50%即引发代谢异常，提示在复杂代谢疾病中，Drp1-Sdhaf2轴可能作为疾病修饰因子，放大环境因素（如高脂饮食）的致病效应。

3. 治疗潜力：靶向线粒体质量控制的新策略

• Drp1激活剂：开发特异性促进Drp1-Sdhaf2相互作用的化合物，可能增强复合体II组装，改善脂肪酸氧化。
• Sdhaf2稳定剂：针对Sdhaf2线粒体导入缺陷，设计线粒体靶向递送系统，提高其生物利用度。
• 代谢调节剂：通过补充复合体II底物富马酸盐，或抑制琥珀酸下游信号（如HIF-1α），可能缓解Drp1缺失引发的代谢紊乱。

争议与展望

尽管本研究揭示了Drp1的非分裂功能，但线粒体分裂与代谢调控的交互仍需深入探讨。例如，线粒体超融合是否通过其他机制（如钙信号传导）影响代谢？此外，Sdhaf2的线粒体导入是否依赖特定转运通道？未来研究可结合冷冻电镜解析Drp1-Sdhaf2复合体结构，或构建条件性Sdhaf2敲入模型，进一步验证其治疗潜力。

结论

本研究通过骨骼肌特异性Drp1敲除模型，系统阐明了Drp1作为分子伴侣蛋白，通过调控Sdhaf2线粒体定位，影响复合体II组装与代谢功能的全新机制。这一发现不仅拓展了线粒体动力学蛋白的功能边界，也为代谢性疾病治疗提供了新靶点，标志着线粒体质量控制与代谢调控研究进入新阶段。

 

名称	货号	规格
Triglyceride Assay Kit - Quantification	ab65336-100test	100test
Triglyceride Assay Kit - Quantification	ab65336-2000test	2000test
NP TRANSFER BUF (20X)	NP0006	125ML
10% SDS SOLUTION 500 ML	AM9822	EACH