钙在细胞线粒体(细胞能量中心)内外的运输对细胞能量生产和细胞死亡至关重要。为了保持这些能量中心内钙的平衡,细胞依赖一种称为线粒体钠-钙交换体(NCLX)的蛋白质。如今,在新的研究中,科学家们发现了一种新的NCLX活性调节因子——一种叫做TMEM65的蛋白,它帮助将钙从线粒体中迁移出去,从而保护细胞免受有害的钙超负荷。
这一发现于4月8日在《自然代谢》期刊上在线描述,是首个表征TMEM65与线粒体中NCLX相互作用的研究。“TMEM65是第一个被确认是真正的NCLX相互作用物和调节因子的蛋白,”约翰·W·埃尔罗德(John W. Elrod),心血管医学的W.W.史密斯讲座教授、路易斯·凯茨医学院老龄化与心血管发现中心的创始主任,以及新研究的资深研究员解释道。这一发现可能帮助科学家设计新的治疗药物,以应对心力衰竭和阿尔茨海默病等条件下的线粒体钙超负荷。
线粒体钙交换在调节细胞存活和促能量信号通路中发挥着关键作用。当线粒体内钙摄入过多时(这在某些疾病状态下会发生),能量代谢会被破坏,细胞死亡。这在心脏中最为明显,钙负荷过重会导致心脏病发作和心力衰竭期间心肌细胞的永久丧失。这也可能导致阿尔茨海默病和其他神经退行性疾病中脑细胞的损失。
埃尔罗德博士及其同事之前已确认NCLX是心脏和大脑中从线粒体中去除钙的关键参与者。研究还表明,增强NCLX活性可以限制心力衰竭、阿尔茨海默病以及癌症的进展。然而,尽管有这些有希望的发现,关于NCLX调节的机制仍然模糊。
“由于NCLX的结构非常复杂,这阻碍了对其调节的研究,并妨碍了治疗开发的进展,”埃尔罗德博士表示。“在我们最新的研究中,我们决定采用一种不同的方法,使用生物素标记,使我们能够追踪NCLX与其他蛋白在完整细胞中的相互作用。”
在博士后研究员乔安娜·F·加尔比纽斯(Joanne F. Garbincius)的带领下,埃尔罗德博士的团队生成了NCLX与生物素化蛋白的融合体。随后将融合蛋白重新放入细胞中,并对其周围的其他蛋白进行生物素化或生化标记。然后,这些生物素化分子被轻易分离,从而实现通过质谱对它们的鉴定。通过这种方式,研究人员最终发现TMEM65是NCLX调节的主要嫌疑者。
“TMEM65特别引起我们的兴趣,因为它是一种功能未知的线粒体蛋白,”埃尔罗德博士解释道。“我们还听说过一个案例报告,其中一个女孩因TMEM65的功能丧失突变而经历了严重的肌肉无力、小头症和神经功能障碍。”
在后续实验中发现,当从细胞中去除TMEM65时,线粒体内的钙水平会积累。这使得我们认识到TMEM65对于NCLX的活性至关重要。在一个TMEM65水平显著降低的小鼠模型中确认了其在调节NCLX中的作用。随着动物的成熟,它们经历了逐渐的神经肌肉功能丧失,以至于在成年时几乎无法行走。
用于识别TMEM65和阐明NCLX调节的这些方法在基础心血管科学领域具有开创性。2024年,加尔比纽斯博士因其研究获得了美国心脏协会路易斯·N·和阿诺德·M·卡茨基础科学研究奖(初期研究者)。
这项工作还激励了对TMEM65的持续研究。埃尔罗德博士及其同事计划进一步探索调节TMEM65活性作为治疗策略的可能性。“TMEM65是一个有前景的治疗靶点,”埃尔罗德博士补充道。“弄清楚如何增强或以其他方式改变其与NCLX的相互作用,可能为受线粒体中病理钙积累影响的患者提供重要的治疗选择。”
路易斯·凯茨医学院院长艾米·J·戈德堡(Amy J. Goldberg)博士强调了这项研究的重要性,表示:“这一发现体现了在路易斯·凯茨医学院发生的变革性科学。通过加深我们对线粒体功能的理解,我们的研究人员正在为可能对心力衰竭、阿尔茨海默病及其他情况的患者产生深远影响的创新治疗铺平道路。”
参与该研究的其他研究人员包括:奥尼尔·萨利克(Oniel Salik)、亨利·M·科恩(Henry M. Cohen)、卡门·乔亚·福塞斯(Carmen Choya-Foces)、亚当·S·曼戈尔德(Adam S. Mangold)、安杰丽娜·D·马考尔(Angelina D. Makhoul)、安娜·E·施密特(Anna E. Schmidt)、迪玛·Y·哈利尔(Dima Y. Khalil)、约书亚·J·杜利特(Joshua J. Doolittle)、安雅·S·威尔金森(Anya S. Wilkinson)、艾玛·K·穆雷(Emma K. Murray)、迈克尔·P·拉扎罗普洛斯(Michael P. Lazaropoulos)和阿莉西亚·N·希尔德布兰德(Alycia N. Hildebrand),路易斯·凯茨医学院心血管科学系老龄化与心血管发现中心;以及Dhanendra Tomar,维克森林大学医学院内科系,北卡罗来纳州温斯顿-塞勒姆。
这项研究部分得到了美国国家卫生研究院和美国心脏协会的资助支持。