Exp Mol Med | 四医大揭示Sirt5去琥珀酰化介导的椎间盘退变新机制

2023-04-23 11:10:30, 景杰生物杭州景杰生物科技股份有限公司

景杰生物 | 报道

精简版

研究目的

探索琥珀酰化修饰及去琥珀酰化修饰酶SIRT5是否参与机械负荷诱导的线粒体损伤和椎间盘退变的发生发展。

研究方法

大鼠鼠尾加压组和对照组髓核组织进行4D蛋白质组学；

免疫组化验证蛋白质组学结果；

基因敲除/过表达研究关键蛋白功能。

结果/结论

1.鉴定到67个差异表达蛋白，加压组中17个蛋白上调，50个蛋白下调,SiRT5的表达量显著降低；

2. SIRT5的表达量与椎间盘退变严重程度呈负相关关系；

3. SIRT5在调节髓核细胞的线粒体形态、组成和能量代谢方面起着重要作用；

4. 提出“异常应力-SIRT5-AIFM1/CHCHD4-线粒体”作用轴，揭示SIRT5去琥珀酰化修饰酶在椎间盘退变中的重要作用。

腰背痛（Low back pain, LBP）作为一种常见的骨骼肌肉疾病类型，严重影响患者的生存质量。其中，椎间盘退变（Intervertebral disc degeneration, IDD）已被广泛认为是腰背痛的主要病因。目前，已有许多研究表明持续或过度的机械负荷会导致细胞外基质的降解和髓核细胞死亡，这是椎间盘退变的关键诱因，但至今仍然缺少相关潜在分子机制的报道。

近日，空军军医大学西京医院全军骨科研究所罗卓荆教授，杨柳教授以共同通讯的身份在国际著名期刊Experimental and Molecular Medicine（IF=12.153）上在线发表了题为“SIRT5-related desuccinylation modification of AIFM1 protects against compression-induced intervertebral disc degeneration by regulating mitochondrial homeostasis”的最新研究成果。在该项研究中，作者通过基于4D的非标记定量蛋白组学，证明了SIRT5在异常应力诱导椎间盘退变中的保护作用，并发现了SIRT5使其下游靶蛋白AIFM1发生去琥珀酰化修饰。此外，研究首次提出了靶向“异常应力-SIRT5-AIFM1/CHCHD4-线粒体”作用轴的IDD治疗新策略。景杰生物为该研究提供了4D非标定量蛋白组学技术支持。

为了探究机械负荷诱导髓核细胞变性的具体机制，研究人员构建了大鼠鼠尾加压模型，术后分别取加压组和对照组髓核组织进行4D非标记的定量蛋白组学分析。研究共鉴定到67个差异表达蛋白，其中加压组中17个蛋白上调和50个蛋白下调。GO分析结果表明，线粒体在机械负荷诱导的髓核细胞变性中起着重要作用，加压可能影响蛋白质在线粒体中的定位。此外，加压组中一些编码线粒体蛋白的基因（如Sirt5）的表达量显著降低。WB结果表明，加压也以时间依赖的方式显著抑制髓核细胞中SIRT5的表达。免疫组化学结果显示SIRT5的表达量与IDD严重程度呈负相关关系。总之，这些结果表明，过度的机械负荷会损害髓核细胞组织内的线粒体，并导致线粒体蛋白SIRT5的表达降低，这预示着SIRT5可能在压迫性IDD中的发展中发挥着重要作用。

图1 机械应激诱导线粒体损伤，并导致NP组织中线粒体蛋白SIRT5的表达降低

进一步地，研究通过体外加压培养髓核细胞和体内构建SIRT5敲除小鼠腰椎不稳（KO LSI）模型，发现在髓核细胞内过表达SIRT5可以明显缓解异常应力诱导的细胞外基质降解和髓核细胞的凋亡。反之，SIRT5的表达量下降表现出更严重的IDD表型。研究明确了SIRT5在髓核组织稳态维持中起着关键性保护作用。

图2 SIRT5的表达量下降加剧了异常应力导致的椎间盘退变表型

研究还发现了SIRT5在调节髓核细胞的线粒体形态、组成和能量代谢方面起着重要作用，敲低SIRT5后会导致细胞线粒体稳态受损。为了探讨SIRT5参与线粒体稳态调节的特定分子机制，研究通过Co-IP获得了髓核细胞的SIRT5结合蛋白，进一步通过质谱（MS）和生物信息学分析确定了其结合靶点-AIFM1。AIFM1是首次发现并报道的SIRT5的靶蛋白。SIRT5直接与AIFM1结合，并通过其去琥珀酰化酶活性调节AIFM1的琥珀酰化修饰，SIRT5表达量降低后AIFM1琥珀酰化修饰水平显著增加，进而通过结构或电位变化影响AIFM1-CHCHD4复合体之间的相互作用，破坏了该复合体的线粒体蛋白输入功能，最终导致线粒体形态和功能障碍。

图3 SIRT5使AIFM1去琥珀酰化，从而调节AIFM1-CHCHD4复合物功能

最后，研究通过在构建的鼠尾加压模型中，过表达SIRT5或亚甲蓝(MB)给药去验证治疗效果。亚甲蓝是一种可替代的线粒体电子转移载体，已被证明可以恢复AIFM1缺乏引起的线粒体功能障碍。在该研究结果中，作者证明了两种治疗方法均可有效缓解异常应力诱导的细胞外基质降解、髓核细胞凋亡、椎间盘高度降低等IDD表型。

图4 过表达SIRT5或MB给药可有效缓解异常应力诱导的椎间盘退变表型

综上所述，研究人员首次提出了“异常应力-SIRT5-AIFM1/CHCHD4-线粒体”的作用轴，揭示了SIRT5去琥珀酰化修饰酶在过度机械负荷下诱导的椎间盘退变发展中的重要作用。研究最后在压力诱导的大鼠椎间盘退变模型中通过SIRT5过表达或MB给药，验证了靶向破坏线粒体蛋白输入治疗的有效性，为治疗IDD提供了一种全新策略。

图5 髓核细胞内过度的机械负荷诱导线粒体功能障碍机制的示意图

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参考文献

Mao J, et al. 2023. SIRT5-related desuccinylation modification of AIFM1 protects against compression-induced intervertebral disc degeneration by regulating mitochondrial homeostasis. Experimental and Molecular Medicine.

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