FSHW | 反油酸通过线粒体内质网偶联结构介导Ca2+水平紊乱诱导线粒体功能障碍

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Introduction

反式脂肪酸（TFAs）是指含有一个或多个反式构型双键的不饱和脂肪酸。人工制造的TFAs也称为工业TFAs，油脂的氢化是工业TFAs的主要来源。研究表明TFAs对人体健康具有不良影响，其中动脉粥样硬化、血栓、冠心病等心血管疾病与膳食TFAs的摄入密切相关。反油酸（EA）是TFAs主要的反式异构体，最近已成为食品安全领域的主要关注点。有研究表明EA可诱导人脐静脉内皮细胞的动脉粥样硬化；通过促进炎症和氧化应激（OS）加速小鼠动脉粥样硬化；可诱导多种细胞凋亡，增加糖尿病小鼠的内质网应激（ERS）和OS，并激活巨噬细胞中的NLRP3炎性小体，但其在慢性疾病中的具体致病机制有待进一步研究。先前的研究表明，EA在Kupffer细胞（KCs）中诱导ERS，同时细胞内Ca2+浓度增加，导致NLRP3炎症小体的形成和炎症因子的释放。线粒体损伤与NLRP3炎症小体的激活密切相关，因此，EA对线粒体的作用有待进一步研究。

研究表明，许多刺激使Ca2+信号传导成为触发线粒体功能紊乱的中间步骤。内质网将适当的Ca2+信号传递给线粒体，线粒体将其解码为特定信号，以调节新陈代谢、能量生产和凋亡等基本功能。Ca2+通过内质网和线粒体之间的紧密接触从内质网转移到线粒体，这些连接被称为线粒体内质网偶联（MAM），在维持细胞内Ca2+稳态方面起着关键作用。位于内质网的肌醇1,4,5-三磷酸受体（IP3R）的主要作用是允许Ca2+从内质网转移到细胞内储存，尤其是线粒体。电压依赖性阴离子通道（VDAC）是位于线粒体外膜（OMM）的通道，分子伴侣蛋白葡萄糖调节蛋白75（Grp75）是一种与IP3R和VDAC物理相互作用的桥接蛋白。Ca2+从内质网通过VDAC和线粒体钙离子单向转运蛋白（MCU）转移到线粒体基质导致线粒体膜电位（MMP）改变和线粒体通透性转换孔（MPTP）的开放通透性增加，促进线粒体活性氧（mROS）生成，引发线粒体损伤。

MAM介导的内质网和线粒体之间的Ca2+信号传递在维持线粒体功能和细胞内稳态方面具有重要作用，其具体作用机制仍需深入研究。目前，对MAM介导的Ca2+信号传递在TFAs诱导的炎症反应中的作用知之甚少。研究EA诱导细胞线粒体功能障碍的机制，可为明晰膳食TFAs的毒性机制提供新的思路。

吉林大学食品科学与工程学院刘辉博士、袁媛教授等 在本文中研究了EA对大鼠肝脏Kupffer细胞和SD大鼠线粒体的影响，并阐明EA通过诱导Ca2+紊乱最终导致线粒体功能障碍的机制以及内质网线粒体相互作用的相关性。

Results and Discussion

EA增强细胞MAM结构诱导Ca2+调节轴的形成

与对照组相比，EA诱导的细胞中线粒体与内质网的共定位显著增强（图1A）。IP3R是内质网的标志蛋白，VDAC1是线粒体的标志蛋白，EA显著诱导细胞内IP3R和VDAC1之间的关联（图1B）。还通过免疫沉淀实验证实IP3R与Grp75和VDAC1之间的关联显著增强（图1C）。这表明EA诱导了细胞IP3R-Grp75-VDAC1复合物的形成，并增强了MAM结构的关联。

ERS产生高水平的ROS，ROS主要作用于MAM上的Ca2+通道受体，导致内质网Ca2+大量释放到线粒体。Ca2+转运在MAM中承担重要功能，与MAM的结构密切相关。KCs胞内和线粒体内Ca2+水平同步提高，是否与MAM结构相关？MAM形成后，Ca2+通过IP3R从内质网腔释放。作为对细胞/应激刺激的响应，Ca2+从内质网线粒体界面释放并通过线粒体膜间隙移位，然后通过MCU最终进入线粒体基质。EA诱导线粒体Ca2+水平增加（图1D），为了进一步证实EA诱导的细胞质和线粒体Ca2+上调源自MAM，用IP3R抑制剂2-APB抑制内质网Ca2+释放。MCU会摄取ERS反应释放到胞质的Ca2+，导致线粒体Ca2+超载，引发线粒体功能障碍。随着EA浓度的增加，MCU蛋白的表达显著增加，相反，2-APB和MCU抑制剂RU360显著降低MCU表达（图1G）。同时2-APB显著降低了EA诱导的细胞质Ca2+水平升高（图1E），而RU360显著抑制线粒体Ca2+水平的升高（图1F），证明了抑制剂的加入减少了EA诱导的细胞MAM结构的关联，进而抑制了Ca2+从内质网向线粒体的传递。上述结果表明，EA增强了MAM结构，促进了Ca2+从内质网向线粒体的转运。

EA诱导细胞和SD大鼠线粒体功能障碍

EA诱导KCs ROS的释放量显著提高。线粒体被认为是ROS的主要来源，格外容易受到氧化损伤。EA可诱导mt ROS的释放增加（图2A）。MPTP的开放可以增加线粒体内膜的通透性，扰乱膜电位，导致氧化磷酸化的解偶联，并抑制线粒体通过氧化磷酸化产生ATP。ATP水平降低与线粒体功能受损相关，并可能影响正常细胞生理功能。而稳定的MMP是维持线粒体氧化磷酸化和维持正常细胞功能的先决条件。随着EA浓度的增加，MPTP开放度显著增加，ATP和MMP水平也显著下降（图2B-D）。同时，EA刺激后，细胞出现内嵴肿胀和线粒体空泡化，表明EA引起细胞线粒体形态结构的改变（图3）。在EA诱导的SD大鼠的肝脏线粒体中也得到了类似的结论，EA对大鼠肝线粒体的形态结构造成了明显的损伤，肝脏MMP和ATP也显著降低（图4）。

Conclusion

EA诱导的细胞质Ca2+浓度的增加是通过从内质网腔IP3R通道释放实现的，细胞内Ca2+浓度的增加导致Ca2+通过IP3R-Grp75-VDAC1-MCU在线粒体基质中积累，释放大量mt ROS，降低MMP和ATP，同时MPTP通透性显著增加，最终导致线粒体损伤。这些发现证实了EA通过MAM诱导线粒体Ca2+失衡，最终导致线粒体功能障碍的机制，并为今后的研究提供了方向。

第一作者

刘辉，女，工学博士。主要研究方向为食品加工安全理论与控制，食品加工危害物分析及形成机理研究。

通信作者

袁媛，女，吉林大学食品科学与工程学院教授，博士研究生导师。中国农业大学食品科学与营养工程学院食品科学专业博士毕业。2015年1月至2016年1月赴瑞士雀巢研究中心进行交流访问。主要从事食品中有害物质分析及形成机理研究。先后主持国家自然科学基金、国家科技支撑计划、吉林省科技厅项目等科研项目多项。对食品中有毒有害物质，如丙烯酰胺、呋喃及亚硝胺等危害物的形成机理、控制技术及毒性作用机制进行了系统研究。目前，主持国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金、吉林省科技厅国际合作项目等多项研究课题，在《Food Chemistry》，《Food and Chemical Toxicology》，《Food&Function》等国内外重要学术刊物上发表科研论文60余篇，其中SCI收录50余篇；获得授权专利1项；获中国商业联合会科技进步一等奖1项、中国食品学会科技创新一等奖1项、福建省科技进步二等奖1项等多个奖项。现任吉林省微量元素研究会常务理事、吉林省食品学会常务理事。

Elaidic acid leads to mitochondrial dysfunction via mitochondria-associated membranes triggers disruption of mitochondrial calcium fluxes

Hui Liu, Xuenan Li, Ziyue Wang, Lu Li, Yucai Li, Haiyang Yan, Yuan Yuan*

College of Food Science and Engineering, Jilin University, Changchun 130062, China

*Corresponding author.

Abstract

Elaidic acid (EA) stimulation can lead to endoplasmic reticulum stress (ERS), accompanied by a large release of Ca2+, and ultimately the activation of NLRP3 inflammasome in Kupffer cells (KCs). Mitochondrial instability or dysfunction may be the key stimulating factors to activate NLRP3 inflammasome, and sustained Ca2+ transfer can result in mitochondrial dysfunction. We focused on KCs to explore the damage to mitochondria by EA. After EA stimulation, cells produced an oxidative stress (OS) response with a significant increase in ROS release. Immunoprecipitation experiments and the addition of inhibitors revealed that the increase in the level of intracellular Ca2+ led to Ca2+ accumulation in the mitochondrial matrix via mitochondria-associated membranes (MAMs). This was accompanied by a significant release of mROS, loss of MMP and ATP, and a significant increase in mitochondrial permeability transition pore opening, ultimately leading to mitochondrial instability. These findings confirmed the mechanism that EA induced mitochondrial Ca2+ imbalance in KCs via MAM, ultimately leading to mitochondrial dysfunction. Meanwhile, EA induced OS and the decrease of MMP and ATP in rat liver, and significant lesions were found in liver mitochondria. Swelling of the inner mitochondrial cristae and mitochondrial vacuolization occurred, with a marked increase in lipid droplets.

Reference:

LIU H, LI X N, WANG Z Y, et al. Elaidic acid leads to mitochondrial dysfunction via mitochondria-associated membranes triggers disruption of mitochondrial calcium fluxes[J]. Food Science and Human Wellness, 2024, 13(1): 287-298. DOI:10.26599/FSHW.2022.9250024.

文章编译内容由作者提供

编辑：梁安琪；责任编辑：张睿梅

封面图片来源：图虫创意