线粒体是细胞的能量供应和代谢中枢。线粒体呼吸链通过电子传递在线粒体内膜两侧建立起膜电位(ΔΨm)。线粒体膜电位执行诸多重要功能，包括驱动ATP合成，帮助线粒体前体蛋白和部分代谢物的跨内膜转运等。线粒体最核心的功能之一是合成铁硫簇(iron-sulfur cluster)—一种细胞必不可少的辅酶。铁硫簇在线粒体基质合成，供应给线粒体，细胞质和细胞核内的铁硫蛋白作为辅酶；这些铁硫蛋白包括DNA聚合酶、核糖体循环因子等看家酶(housekeeping enzymes)。铁硫簇合成通路蛋白和原料亚铁离子依赖膜电位转运进线粒体基质。因此，线粒体膜电位的维持对于细胞的存活和增值至关重要。
领域内过去的研究表明呼吸链缺失的线粒体通过水解ATP(来自糖酵解)来维持膜电位。该机制从酵母到哺乳动物细胞都高度保守。线粒体呼吸链缺失同时激活细胞应激反应(mitochondrial stress response)，但应激反应是否参与膜电位维持并不清楚。蒋辉实验室构建了缺失呼吸链复合物Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ和线粒体DNA(?0)的酵母株系，发现这些氧化磷酸化突变体的线粒体膜电位逐渐降低(WT>缺失复合物Ⅲ/Ⅳ>缺失复合物Ⅴ>?0)。研究人员对这些突变体的转录组和线粒体蛋白质组进行了全面分析，发现伴随着线粒体膜电位的逐渐降低，细胞会启动越来越多的适应性反应：(1)所有突变体都下调转录因子Hap4的翻译效率，进而下调Hap4下游基因Inh1(线粒体ATP合酶抑制蛋白)，从而释放线粒体水解ATP的能力；(2)在线粒体膜电位严重下降的缺失复合物Ⅴ和?0突变体中，细胞激活AMPK/Snf1，从而上调糖酵解基因，同时抑制细胞质核糖体生成。该变化加强细胞内ATP供应，同时减少ATP消耗，从而增强了线粒体的ATP供应；(3)同样在缺失复合物Ⅴ和P0突变体中，细胞高磷酸化mRNA结合蛋白Puf3，上调其结合的数百条编码线粒体蛋白的mRNA，从而促进线粒体生成(biogenesis)。在Puf3的数以百计的底物中，线粒体膜间隙蛋白转运受体Mia40的上调最为关键。抑制这些反应，例如阻断Inh1下调，?0突变体无法维持膜电位和铁硫簇的合成，导致细胞生长停滞和死亡。综合而言，细胞在氧化磷酸化缺失情况下启动线粒体内外的适应性反应，以维持线粒体膜电位、铁硫簇的合成和细胞的存活与增值。
在人类线粒体疾病中，超过150个致病基因突变后导致氧化磷酸化缺陷。这些疾病的发生往往伴随着线粒体膜电位的降低。鉴于酵母细胞维持线粒体膜电位机制的效应蛋白高度保守，本研究对线粒体疾病的致病机理和治疗思路具有一定参考价值。
蒋辉实验室的刘思琪是第一作者，蒋辉博士为通讯作者。论文的其他作者包括蒋辉实验室的刘珊珊、何白羽、李兰兰博士，蛋白质组中心的李琳博士、陈涉博士，以及核酸测序中心的王家文博士、蔡涛博士。该研究在北京生命科学研究所完成。
论文链接: https://www.embopress.org/doi/full/10.15252/embr.202051606
