線粒體 RNA 處理酶的一種常見遺傳變異易導致胰島素抵抗

來源: 生物360 / 作者: 2021-09-27
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胰島素抵抗和胰島素分泌受損是 II 型糖尿病的主要缺陷。能量產生受損、能量儲存的使用和線粒體功能障礙是代謝疾病的主要特征。普遍認為線粒體能量代謝障礙在胰島素抵抗的病理生理學中起重要作用。然而,線粒體功能障礙如何導致、促成或導致胰島素抵抗和代謝疾病仍為未確定。過往研究表明,編碼線粒體蛋白質的基因中的突變,會促進共同代謝性疾病如 II 型糖尿病,胰島素抵抗,肥胖和癌癥的代謝功能障礙。來自遺傳和全基因組關聯研究 (GWAS) 的越來越多的證據表明,線粒體 DNA (mtDNA) 的遺傳變異會導致這些常見的代謝疾病——然而,這些發現基本上沒有經過體內功能驗證。

線粒體基因組編碼 13 種蛋白質,它們都是電子傳遞鏈和三磷酸腺苷 (ATP) 合酶的重要組成部分,負責通過氧化磷酸化 (OXPHOS) 產生能量。mtDNA 中的突變最常導致線粒體疾病,并且在某些情況下,會參與胰島素分泌受損而導致糖尿病的發生和發展 )。盡管這些病理的分子機制尚不清楚,主要被認為與 OXPHOS 功能障礙有關。人類 mtDNA 是環狀的,基本上沒有非編碼序列,編碼 11 種 mRNA、22 種轉移 RNA (tRNA) 和 2 種核糖體 RNA (rRNA)——幾乎覆蓋整個 mtDNA 全長。 mtDNA 基因中缺乏內含子——不需要剪接;而散布在 mRNA 和 rRNA 編碼基因之間的 tRNA 基因能夠募集 tRNA 加工酶以產生特有的轉錄本。線粒體 RNA 加工涉及核糖核酸酶 (RNase) P 在 tRNA 5'末端的切割和由 ELAC2 基因編碼的線粒體 RNase Z 切割 3' tRNA 末端。如果 RNA 加工過程異常,將對線粒體和核基因表達,蛋白質合成產生深刻的影響,對呼吸鏈的組裝和功能造成影響,導致過早死亡。

線粒體 RNase P 是一種蛋白質復合物,不含催化性 RNA,由三種蛋白質組成:線粒體 RNase P 蛋白 1(MRPP1,也稱為 tRNA 甲基轉移酶 10C 同源物,TRMT10C)、MRPP2 (HSD17B10,羥基類固醇 17-β 脫氫酶 10)和 MRPP3 (也稱為 RNase P 催化亞基 (PRORP)? )。盡管 MRPP3 具有催化 RNA 切割功能,但所有三種蛋白質都是 RNase P 活性所必需的。RNase P 任何成分的功能障礙都會影響 RNA 加工,對能量代謝產生可怕的后果。 RNase P 成分的丟失或突變可直接導致小鼠胚胎致死,破壞 5'tRNA 加工導致嚴重的多系統疾病和過早死亡。除了促進 RNase P 復合物中的 tRNA 加工外,MRPP1 和 MRPP2 在線粒體中還有其他作用。MRPP1 還兼職做甲基轉移酶,修飾線粒體 tRNA 的 9 位的鳥嘌呤或腺嘌呤;而 MRPP2 是短鏈脫氫酶超家族的成員,是支鏈氨基酸(BCAA)和類固醇激素代謝所需要的。

線粒體核糖核酸酶 P 亞基 3 (MRPP3) 基因編碼一種 RNA 結合蛋白,最近從中發現了一個錯義變異體(rs11156878、Asn437Ser),線粒體 tRNA 9 位甲基化變異中 22% 是這種突變導致的,占人群比例的 19%。 研究人員分析了該變異如何影響線粒體轉錄組和功能。研究人員使用 CRISPR-Cas9 基因組編輯在小鼠 Mrpp3 基因中引入 rs11156878 突變,證實在高脂肪飲食 (HFD) 中該突變通過擾亂胰島素分泌使胰腺 β 細胞脫敏,胰島素分泌減少導致胰島素水平降低,使高脂肪飲食 Mrpp3 變異小鼠的代謝失衡和肝臟脂肪變性。該變異未顯著影響線粒體基因表達,但減少了線粒體鈣,從而降低了 Mrpp3 突變小鼠中胰島 β 細胞的胰島素釋放。研究為分析人群中胰島素抵抗的潛在誘發因素提供了功能和機制證據。

根據 GWAS 預測,影響代謝功能和線粒體表觀轉錄組的這種 Asn437Ser 突變,在人群中以不同的頻率存在,最高影響歐洲人口的 15% 到 19%,其次是亞洲的 6% 到 11%,最低的是 非洲的 3% 到 6 %。437 位的天冬酰胺從人類到嚙齒動物都是保守的。MRPP3 或 PRORP 酶的原子結構表明,它包含一個金屬核酸酶結構域(執行 tRNA 的內切核酸酶切割)和一個中心連接頭、以及參與 tRNA 結合的五個串聯五肽重復序列 (PPR) RNA 結合結構域。Asn437Ser 突變位于催化域的表面,遠離 MRPP3 的催化位點,突變不會改變催化域表面的局部電荷分布。

研究人用 CRISPR-Cas9 技術將等效的 Asn434Ser 變體敲入小鼠 Mrpp3 基因,以研究其與野生型 Mrpp3 基因相比對代謝、線粒體轉錄組和能量產生的影響?;蛐屯ㄟ^ Sanger 測序得到證實。小鼠錯義突變的氨基酸位于高度保守區,與人類 MRPP3 突變相同,與野生型 MRPP3 相比,不影響其豐度。用正常食物 (NCD) 或 高脂肪飲食 HFD 分別喂養雄性 wt 小鼠和同窩突變仔鼠(N434S)14 周。相比野生型,所述 N434S 小鼠在正常飲食組中體重較低、表型較,但高脂肪組兩者沒有明顯差異。與 wt 對照小鼠相比,葡萄糖耐量試驗 (GTT) 顯示 N434S 小鼠在兩種飲食中均輕度葡萄糖不耐受;胰島素耐量試驗(ITT)表明高脂肪飲食的突變小鼠 N434S 出現胰島素不敏感。這些發現表明 Asn434Ser 突變可能導致高脂飲食下的胰島素抵抗。HFD 的突變小鼠循環胰島素水平降低,胰島大小增加,并導致肝臟脂肪變性。線粒體 RNA 加工和翻譯后 tRNA 修飾在功能上不受 N434S 突變的影響。但 MRPP3 N434S 突變?對胰腺功能和分泌胰島素的胰腺 β 細胞的影響最為顯著,導致線粒體鈣釋放和胰島素分泌減少,降低了胰島細胞的敏感性,使突變個體更易患代謝功能障礙。在 HFD 的額外壓力下,胰腺胰島素分泌減少和隨之而來的循環胰島素水平降低的下游后果導致肝臟中脂質積累增加和骨骼肌中葡萄糖攝取減少。盡管 MRPP3 在線粒體基因表達中起作用,但該突變不影響 OXPHOS 生物發生及其功能;相反,胰島素分泌受損是線粒體鈣釋放受損的結果。

人類基因組中的變異積累對于適應不同的營養供應和需求至關重要。例如,像北極這樣的極端棲息地導致因紐特人選擇線粒體肉堿棕櫚酰轉移酶蛋白 (CPT1A) 中的一種突變——因為這為富含脂肪的飲食的代謝提供了選擇性優勢,這是這種土著人的典型特征。目前尚不清楚為什么在高達 19% 的歐洲人群中保留了 MRPP3 中的 rs11156878 突變,這可能是因為它可以通過在正常飲食條件下上調胰島素分泌來提供優勢。然而,這種遺傳突變在富含脂肪的飲食 (HFD) 中易患胰島素抵抗,因為線粒體無法調動其儲存在胰腺中的鈣水平來增加胰島素分泌。這一發現可能有助于管理人群中大量個體的營養,以預防或延緩胰島素抵抗的發生和 II 型糖尿病的潛在發展。

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