Cell Stem Cell | 孙欣实验室揭示线粒体调控肺上皮细胞发育与稳态机制

作为细胞进行有氧呼吸和能量生产的主要场所，线粒体（mitochondria）是一种几乎存在于所有真核细胞中的细胞器，被称作细胞的“动力工厂”。近年来研究发现除了为细胞基本生命活动提供能量，线粒体还在细胞信号转导、代谢产物合成、基因转录调控和细胞凋亡等过程中扮演重要角色【1,2】。以上线粒体功能的研究主要在单细胞真核生物 （例如酵母） 或体外培养细胞系中完成，对于其在高等生物体内细胞增殖、分化和命运决定过程中的功能性研究还十分有限。此外，在多细胞构成的组织与器官水平下，线粒体损伤导致的细胞胁迫对于不同类型细胞生命活动的影响是否具有偏好性仍是一个有待解决的问题。

2024年8月23日，加州大学圣地亚哥分校孙欣实验室在Cell Stem Cell杂志在线发表了题为“Context-dependent roles of mitochondrial LONP1 in orchestrating the balance between airway progenitor versus progeny cells”的研究论文。该研究揭示了线粒体在呼吸道上皮组织发育、稳态维持以及损伤修复中的功能，并且发现线粒体在同一组织中以细胞特异性的方式调控细胞增殖分化、凋亡或者长距离迁移。

在静止状态下，成人每分钟呼吸的空气体积有大约12升，而在运动时每分钟会消耗多达100升的空气。作为体内与吸入空气初次接触的部位和运输气体的唯一通道，呼吸道上覆盖着一层上皮组织，主要由三种不同类型的细胞构成：棒状细胞 （club cell） 分泌富含水解蛋白酶的粘液，负责湿润和净化吸入的空气；纤毛细胞 （ciliated cell） 通过纤毛韵律摆动不断将气道中的灰尘和病菌混合黏液排送到咽喉，进而通过咳出或者咽下食道来排出体外；基底细胞 （ basal cell） 是位于呼吸道基底膜上的干细胞，可以不断自我更新和分化为上述两种细胞，及时修复受损的呼吸道。近期研究发现在肺部受到严重病毒侵染后 （例如流感或新冠病毒） ，基底细胞会被激活并迁移到远离呼吸道的肺间质受损区域，在那里进行异位分化和组织修复【3-5】。除此之外，呼吸道上皮组织还包括一些数量较少的肺神经内分泌细胞 （PNEC） 、杯状细胞 （goblet cell） 、簇细胞 （tuft cell） 、离子转运细胞 （ionocytes） 和小丘基底细胞 （h illock cell） 。从胎儿出生时的第一口呼吸开始，多细胞精密分工的呼吸道上皮组织就时时暴露在充满污染和病菌的空气中，导致呼吸道相关疾病 （慢性阻塞性肺病，COPD） 已经跃升为世界第三致死病因【6】。而线粒体异常经常发现于呼吸道疾病中【7】，暗示其在呼吸道上皮组织中具有重要功能。

为了系统研究线粒体在肺呼吸道上皮组织形态建成和稳态维持中的功能，本文研究人员在小鼠呼吸道上皮组织中特异性敲除了一个名为Lonp1的基因，此基因编码一个定位于线粒体基质中的蛋白酶，对维持线粒体正常功能至关重要【8】。在胚胎发育时期，研究人员发现线粒体受损的呼吸道上皮组织无法分化出棒状细胞和纤毛细胞，而基底细胞表现出增生和异常分化；在呼吸道细胞已经完全分化的成体小鼠中，线粒体受损后导致上皮组织在短时间内重塑，棒状和纤毛细胞数量显著减少，基底细胞不仅在气管上皮组织中增生，而且在肺部支气管上皮组织 （正常状态下小鼠肺部不存在基底细胞） 中出现成片状的异位增生。与此同时，杯状细胞 （goblet cell） 大量的在支气管近端分化。上述在线粒体受损肺部的细胞组成变化与COPD病人肺部病理特征惊人相似。进一步，研究人员通过在COPD病人肺组织中分析单细胞测序数据以及免疫荧光染色证实Lonp1的蛋白表达水平，而非RNA转录本水平，在病变的呼吸道上皮细胞中显著减少，表明Lonp1的转录后调控亦或是COPD的致病机制之一。

为了研究线粒体调控呼吸道上皮组织的细胞特异性，研究人员分别在棒状、纤毛和基底细胞中敲除Lonp1，并在萘诱导气道上皮急性损伤修复模型中研究细胞增殖与分化。研究人员意外地发现线粒体受损特异性导致纤毛细胞凋亡，而对于棒状细胞和基底细胞的存活、增殖与分化并没有显著影响。进一步实验证实在呼吸道上皮组织中纤毛细胞的持续凋亡会直接导致与COPD呼吸道病理相似的细胞表型。通过普通转录组和单细胞转录组测序分析，研究人员发现缺失Lonp1引起的线粒体受损选择性地在纤毛细胞中激活下游整合应激反应 （integrated stress response, ISR） 通路。体内药物靶点抑制和遗传互补实验证实是ISR通路的激活导致了纤毛细胞凋亡，以及由此产生的一系列细胞重塑反应。

为了探索线粒体在基底细胞迁移中的功能，研究人员使用甲型流感病毒 （Influenza A virus） 侵染Lonp1敲除和对照小鼠。实验结果表明Lonp1敲除后的基底细胞驻留在呼吸道上皮组织，不能迁移到远端肺部受损的部位进行修复。进一步实验证实ISR通路在这些驻留的基底细胞中被激活，并且导致细胞周期阻滞。遗传互补实验证实ISR通路的激活是导致这些基底细胞驻留的直接原因。综上所述，该项研究发现在呼吸道上皮组织中由LONP1介导的线粒体稳态通过抑制ISR通路促进：1）胚胎发育中原始干细胞的增殖与分化；2）成体稳态下纤毛细胞的存活；3）肺损伤修复中基底细胞的迁移。

上述研究的发现伴随着一个有趣的问题：细胞对于线粒体损伤反应的特异性是如何决定的？通过在成体稳态和病毒侵染下呼吸道上皮组织单细胞测序分析，研究人员发现促细胞凋亡因子Bok特异性地在纤毛细胞和病毒激活的基底细胞中表达。在Lonp1突变体中进一步敲除Bok可以有效的抑制ISR通路在纤毛细胞和驻留基底细胞中的激活，并在一定程度上回补了Lonp1单独敲除的细胞表型。已经发表的工作表明BOK蛋白高度富集在线粒体-内质网膜偶联处【9】。因此，细胞特异性表达的BOK起到桥梁的作用，对线粒体损伤信号的传导不可或缺。

美国加州大学圣地亚哥分校孙欣实验室博士后徐乐为本论文的第一作者。首都医科大学附属北京友谊医院谭春婷副教授做出了重要贡献。孙欣博士为本论文的通讯作者。

https://doi.org/10.1016/j.stem.2024.08.001

参考文献

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