Nat Commun: 酵母脂质组学分析产品助力揭示内质网钙通道Csg2调节自噬的相关机制
2023年6月,四川大学华西医院等单位的相关研究人员在《Nature Communications》(IF: 17.7)上发表了题为“The ER calcium channel Csg2 integrates sphingolipid metabolism with autophagy”的研究论文,在模式生物酿酒酵母中将内质网中的钙积累与鞘脂代谢功能障碍和被阻断的自噬结合起来,进一步支持了内质网作为钙稳态、鞘脂代谢和自噬的信号中枢的作用。
亮点概述:
- Csg2是定位于内质网的钙通道,介导钙离子导出内质网,对于维持内质网内的钙浓度稳定必不可少。
- 在饥饿条件下,Csg2的缺失导致内质网中钙的增加,这扰乱了鞘脂的合成并导致特定生物活性鞘脂植物鞘氨醇(PHS)的积累。
- PHS水平的升高完全阻断自噬并诱导细胞中饥饿抗性的丧失。
研究背景:
钙是一种无处不在的细胞外和细胞内的离子,几乎影响着细胞功能的各个方面。通过细胞膜上的泵流入或通过离子通道使细胞内存储的钙释放,可以让细胞的胞浆钙浓度增加。钙通道间接调节多种与钙相关的细胞过程,包括细胞增殖、凋亡和自噬。
自噬是一种保守的细胞内过程,在细胞存活中起着主要作用,尤其是在饥饿等应激条件下。自噬可通过清除多余或受损的细胞器以及入侵的病原体等来维持正常的细胞稳态,有助于细胞动员/回收各种能源,从而提供必要的营养并去除潜在的危险元素。钙在调节自噬过程中的作用和机制相当复杂且尚有争议,其对自噬的抑制作用和刺激作用皆有报导。
鞘脂是真核细胞膜上普遍存在的成分,且是具有信号传导作用的生物活性分子。神经酰胺(Cer)、鞘氨醇(Sph)和1-磷酸鞘氨醇(S1P)等生物活性鞘脂参与了许多关键的细胞过程,如细胞生长、增殖、死亡、内吞、营养获取和蛋白质运输等。真核细胞中调节鞘脂代谢和维持鞘脂动态平衡的因素和机制在很大程度上仍未被探索。
为了分析钙通道在自噬调节中的作用,研究人员筛选了缺失各种钙通道(已证实和潜在)的酿酒酵母细胞,通过观察氨基酸饥饿后的细胞活力来寻找潜在的自噬因子。在营养有限的条件下,自噬能抵抗饥饿。结果显示,在氨基酸饥饿(SD-N)的酵母细胞中,Csg2(一种假定的ER驻留钙通道蛋白)的缺失特异性地诱导了饥饿抗性的丧失,并且能通过调节自噬体的形成完全阻断自噬。通过蛋白共定位和电生理测定证实,Csg2是一种内质网(ER)驻留的钙通道,介导钙离子释放。
Csg2是自噬所必需的
Csg2的缺失会诱导ER中的钙增加,研究人员随后在高钙条件(添加钙)和低钙条件(加入离子螯合剂EDTA或EGTA)下检测了Csg2缺陷酵母细胞的自噬活性。结果显示,EDTA和EGTA,而不是钙,恢复了Csg2缺陷酵母细胞的自噬以及对氨基酸饥饿的抗性,表明Csg2在自噬中的功能与其在钙调节中的作用特异性相关。此外,ER驻留的Pmr1(介导钙转运进入ER)的缺失可挽救Csg2缺陷酵母细胞中的自噬,进一步表明ER内积聚的钙导致Csg2缺失的酵母细胞的自噬阻断。
Csg2缺失细胞的自噬阻断与ER钙的积累有关
考虑到ER是合成各种脂质的主要位点,而Csg2调节ER内的钙,研究人员接着在饥饿条件下对WT和Csg2缺失的酵母细胞进行了全面的脂质组学分析。结果发现,生物活性鞘脂植物神经酰胺(phytoCers)和植物鞘氨醇(PHS)在WT和Csg2缺失细胞之间表现出最大和最显著的差异。在酵母细胞中,phytoCers和PHS是复杂鞘脂的直接前体,其在Csg2缺失细胞中显著积累。表明在饥饿条件下,Csg2缺失细胞中存在鞘脂代谢紊乱,特别是生物活性鞘脂水平的增加,这可能是ER中钙积累诱导的自噬阻断的原因。
生物活性鞘脂植物鞘氨醇和植物神经酰胺在Csg2缺失细胞中积累
鉴于钙在ER中积累,并且在Csg2缺失的酵母细胞中phytoCer和PHS水平增加,研究人员假设钙通道Csg2的缺失将导致ER中的钙增加,从而干扰鞘脂代谢并导致生物活性鞘脂水平增加,最终阻断自噬。为了检验这一假设,研究人员使用了鞘脂合成中关键酶的三个温度突变体。结果表明,在非容许温度(酶功能失调)条件下,Lip1和Aur1的突变导致自噬阻断,而上游Tsc10的突变不影响自噬。这表明二氢鞘氨醇(DHS)或PHS的增加导致自噬阻断。此外,Tsc10突变,而不是Lip1或Aur1突变,恢复了Csg2缺失的酵母细胞中的自噬,证实了Csg2缺失的酵母细胞中DHS或PHS水平的增加阻断了自噬。Lcb4/5缺失的细胞,对自噬没有显示出不良影响,而向Csg2-Sur2双缺失细胞、Csg2-Pmr1双缺失细胞和Csg2缺失加EDTA/EGTA处理的细胞中添加PHS会导致自噬阻断,表明PHS的增加介导Csg2缺失酵母细胞中ER钙积累诱导的自噬阻断。
积累的植物鞘氨醇导致Csg2缺失细胞自噬受阻
最后,研究人员探究了Csg2的缺失如何诱导ER中的钙积聚并导致PHS增加。鉴于Lip1突变和Aur1突变均可导致PHS增加且阻断自噬,其功能可能在Csg2缺失的酵母细胞中被破坏。WB分析表明,Aur1蛋白水平在Csg2缺失的酵母细胞中显著降低,而Tsc10和Lip1水平没有受到影响。且在EDTA和EGTA存在的情况下,Csg2缺失细胞中的Aur1蛋白水平得以维持,表明Csg2缺失的酵母细胞中Aur1异常是由钙水平升高引起的,这导致鞘脂代谢紊乱和生物活性PHS水平增加,最终抑制自噬。
钙通道Csg2整合ER钙稳态与鞘脂代谢和自噬
总之,该研究为Csg2通道维持的ER钙稳态如何调节鞘脂代谢和自噬提供了见解。鉴于钙离子、鞘脂和自噬在真核生物中具有广泛而保守的作用,它们在此建立的相互关系可能在特定生理环境中的真核生物中保守。