骨骼肌是人體最大的能量代謝器官,骨骼肌正常功能的維持高度依賴線粒體。隨著年齡增長(zhǎng)而引起的骨骼肌線粒體功能衰退可以引發(fā)諸多的骨骼肌結(jié)構(gòu)和代謝功能的一系列退行性改變,最后這些變化可以發(fā)展成為胰島素抵抗,并引發(fā)老年肥胖等。線粒體自噬是一種重要的線粒體質(zhì)量控制機(jī)制,用于選擇性靶向和清除受損或功能障礙的線粒體。以往的研究發(fā)現(xiàn),PINK1,Parkin,NIX/BNIP3,BCL2L13和PBH2是線粒體自噬調(diào)控的重要因子。此外,線粒體動(dòng)態(tài)調(diào)控因子MFN1,MFN2,OPA1,DRP1,FIS1以及線粒體基質(zhì)蛋白酶LONP和CLPP,線粒體內(nèi)膜蛋白酶YME1L1,AFG3L2和SPG7在線粒體質(zhì)量控制中都發(fā)揮著至關(guān)重要的功能。FUNDC1作為一個(gè)新的線粒體自噬受體,已報(bào)道可以介導(dǎo)應(yīng)激條件(例如低氧刺激)下誘導(dǎo)的線粒體自噬過(guò)程。當(dāng)在哺乳細(xì)胞中敲降FUNDC1,低氧刺激時(shí),線粒體自噬顯著受阻。但目前關(guān)于FUNDC1的研究集中在細(xì)胞上,其生理功能并不清楚。此外,骨骼肌線粒體自噬的生理功能以及其分子作用機(jī)制尚不清楚。在本研究中,我們用HSA-Cre或MCK-Cre小鼠與Fundcl-floxed(Fundclf/f)小鼠配繁,產(chǎn)生了兩個(gè)不同的骨骼肌FUNDC1特異性敲除小鼠品系,用來(lái)研究線粒體自噬受體FUNDC1介導(dǎo)的線粒體質(zhì)量控制在骨骼肌中的作用。我們發(fā)現(xiàn)FUNDC1在各個(gè)不同的肌肉組織中都有顯著的敲除。通過(guò)分離骨骼肌或骨骼肌原代細(xì)胞的線粒體,我們發(fā)現(xiàn),在FUNDC1缺陷線粒體中,LC3-Ⅱ和P62蛋白水平顯著降低。骨骼肌原代細(xì)胞感染GFP-LC3腺病毒或mt-Keima慢病毒后,FUNDC1缺失細(xì)胞在線粒體自噬誘導(dǎo)劑FCCP處理后,顯著性降低線粒體自噬的發(fā)生。通過(guò)一系列體內(nèi)和體外的實(shí)驗(yàn)研究,我們證明了骨骼肌FUNDC1敲除導(dǎo)致線粒體自噬受阻,影響線粒體能量產(chǎn)生,例如ATP水平降低,MMP水平降低,ROS水平升高。此外,骨骼肌缺失FUNDC1通過(guò)調(diào)節(jié)線粒體功能,導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)過(guò)程中RER的值較野生型的鼠更高,氧氣消耗顯著降低,肌肉脂肪利用率和運(yùn)動(dòng)耐力顯著下降。令人驚訝的是,在高脂飼喂條件下,骨骼肌FUNDC1敲除小鼠在喂養(yǎng)期間體內(nèi)脂肪含量顯著下降,表現(xiàn)出抵抗高脂飼喂誘導(dǎo)的肥胖,顯著改善胰島素敏感性和葡萄糖的耐受能力。我們證明,肌肉FUNDC1缺失促進(jìn)白色脂肪組織(包括eWAT和iWAT)的產(chǎn)熱重塑,顯著增加了脂肪產(chǎn)熱基因UCP1,Cidea和Dio2的表達(dá)。在作用機(jī)制上,我們發(fā)現(xiàn),白色脂肪組織褐色化的增加是由于線粒體功能受損產(chǎn)生的ROS誘導(dǎo)線粒體與細(xì)胞核的交流,激活了 P-eIF-2a/ATF4信號(hào)通路,使肌肉線粒體應(yīng)激因子FGF21的表達(dá)顯著上調(diào),從而促進(jìn)了脂肪的產(chǎn)熱。進(jìn)一步,我們通過(guò)FGF21和骨骼肌FUNDC1雙敲除的小鼠,我們發(fā)現(xiàn)FGF21的缺失會(huì)消除在高脂喂養(yǎng)過(guò)程中由于FUNDC1缺失而改善的機(jī)體代謝的表型。綜上所述,在骨骼肌敲除FUNDC1導(dǎo)致線粒體自噬受阻,進(jìn)而使線粒體功能受損,導(dǎo)致線粒體產(chǎn)生的ROS增加,導(dǎo)致FGF21的誘導(dǎo)表達(dá),它以內(nèi)分泌的方式來(lái)促進(jìn)脂肪產(chǎn)熱,最終保護(hù)小鼠免受高脂飼喂導(dǎo)致的肥胖和胰島素抵抗。我們的研究結(jié)果揭示了 FUNDC1依賴的線粒體質(zhì)量控制通過(guò)調(diào)節(jié)肌肉-脂肪的代謝交流,在機(jī)體代謝穩(wěn)態(tài)維持中起十分重要作用。我們的發(fā)現(xiàn)提供了一個(gè)通過(guò)靶向骨骼肌中線粒體自噬來(lái)治療代謝疾病的潛在策略。
【學(xué)位單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：Q44

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本文編號(hào)：2808675