Adult-onset obesity is triggered by impaired mitochondrial gene expression

doi:10.1126/sciadv.1700677

.2017年8月16日；3（8）：e1700677。

doi:10.1126/sciadv.1700677。 eCollection 2017年8月。

线粒体基因表达受损引发成人肥胖

附属机构

¹澳大利亚西澳大利亚州奈德兰市西澳大利亚大学QEII医学中心医学研究中心哈里·珀金斯医学研究所，邮编：6009。
²西澳大利亚大学人文科学学院，澳大利亚西澳大利亚州克劳利，邮编6009。
³西澳大利亚大学生物医学学院，澳大利亚西澳大利亚州克劳利，邮编6009。
⁴澳大利亚新南威尔士州达林赫斯特Victor Chang心脏研究所，2010年。
⁵澳大利亚西澳大学分子科学学院，西澳州克劳利，邮编：6009。

PMID： 28835921
预防性维修识别码：项目编号559209
内政部： 10.1126/sciadv.1700677

线粒体基因表达受损引发成人肥胖

卡拉·L·珀克斯等。科技进步. 2017.

.2017年8月16日；3（8）：e1700677。

doi:10.1126/sciadv.1700677。 eCollection 2017年8月。

附属机构

¹澳大利亚西澳大利亚州奈德兰市西澳大利亚大学QEII医学中心医学研究中心哈里·珀金斯医学研究所，邮编：6009。
²西澳大利亚大学人文科学学院，澳大利亚西澳大利亚州克劳利市，邮编：6009。
³西澳大利亚大学生物医学科学学院，澳大利亚西澳大利亚州克劳利市，邮编：6009。
⁴澳大利亚新南威尔士州达林赫斯特Victor Chang心脏研究所，2010年。
⁵澳大利亚西澳大学分子科学学院，西澳州克劳利，邮编：6009。

PMID： 28835921
预防性维修识别码：项目编号559209
内政部： 10.1126/sciadv.1700677

摘要

线粒体基因表达对能量生产至关重要；然而，人们对它如何影响生理和新陈代谢缺乏了解。来自五肽重复序列（PPR）家族的几个蛋白质对线粒体基因表达的调节至关重要，但该家族其余成员的功能尚不清楚。我们创建了敲除小鼠来研究PPR域1（PTCD1）蛋白的作用，并表明PTCD1的丢失是胚胎致死性的，而单倍体杂合小鼠会发展为年龄诱导的肥胖。线粒体蛋白质在体内单倍体不足的分子缺陷和代谢后果以前还没有研究过。我们发现，PTCD1单倍体不足导致RNA代谢增加，以应对蛋白质合成减少和RNA加工受损，从而影响呼吸链的生物发生，导致轻度解偶联和线粒体形态改变。我们证明，随着年龄的增长，这些影响会导致成年期肥胖，从而导致肝脏脂肪变性和心脏肥大，从而对哺乳动物雷帕霉素途径靶点的组织特异性差异调节作出反应。我们的研究结果表明，线粒体基因表达的变化对能量代谢有长期影响，这为PTCD1的单倍体不足可能是代谢综合征发生的主要诱因提供了证据。

PubMed免责声明

数字

**图1。单倍体不足*第1部分*影响mt RNA代谢。**
(A类)对照组之间尺寸和重量差异的照片表示(*第1部分*^+/+)和杂合子(*Ptcd1型*^+/−)10周龄和30周龄的小鼠。(B)对照品重量（克）(*第1部分*^+/+，n个=6）和杂合子(*第1部分*^+/−，n个=6）5、10、15和30周龄的小鼠。误差条表示SEM**P（P）*< 0.05, ***P（P）*< 0.01, ****P（P）*<0.001，学生t吨测试。肝脏中未加工和成熟线粒体mRNAs、tRNAs和rRNAs的丰度(C类)和心脏(D类)30周*第1部分*^+/+和*第1部分*^+/−northern印迹法分析小鼠；18S公司rRNA被用作负荷对照。这些数据代表了从每个基因型的至少八只小鼠和三个独立的生物学实验中获得的结果。(E类)平均RNA-Seq覆盖率的基因组浏览器视图（log₂折叠变化_意思是/Ctrl键_意思是])三个人的肝脏和心脏*第1部分*^+/+和三个*第1部分*^+/−30周龄小鼠（平均标准化计数）显示mt-tRNA区域^Trp公司以及PTCD1降低时对3′端加工的下游影响。(F类)平均RNA-Seq覆盖率的基因组浏览器视图（log₂褶皱变化_意思是/Ctrl键_意思是])在肝脏和心脏中*第1部分*^+/+和三个*第1部分*^+/−30周龄小鼠（平均标准化计数）显示mt-tRNA区域^{亮氨酸（UUR）}以及PTCD1降低时对3′端加工的下游影响。(克)在肝脏和心脏总RNA中测量mt-RNA连接*第1部分*^+/+和*第1部分*^+/−通过qRT-PCR检测30周龄小鼠，并将其归一化为18S公司rRNA。误差条表示SEM**P（P）*<0.05，学生的t吨测试。

**图2。PTCD1减少导致线粒体蛋白质合成减少。**
30周龄婴儿肝脏和心脏线粒体线粒体蛋白质（25μg）*第1部分*^+/+和三个*第1部分*^+/−用4到20%的SDS-PAGE凝胶溶解小鼠，并对抗体进行免疫印迹，以研究核和线粒体编码蛋白的稳态水平。琥珀酸脱氢酶复合物亚基A（SDHA）用作负荷对照。肝脏PTCD1水平降低约50%(A类)和心脏(B)线粒体，表明其单倍体不足。肝线粒体和核编码OXPHOS蛋白的免疫印迹(C类)和心脏(D类)线粒体。肝脏中核编码线粒体DNA和RNA结合蛋白的免疫印迹(E类)和心脏(F类)线粒体。显示肝脏中线粒体核糖体蛋白水平的免疫印迹(克)和心脏(**H（H）**)线粒体。使用ImageJ软件测量蛋白质的相对丰度，并将其归一化为负荷控制。误差条表示SEM**P（P）*< 0.05, ***P（P）*< 0.01,^****P（P）*<0.001，学生t吨测试。这些数据代表了从每个基因型的至少六只小鼠和三个独立的生物学实验中获得的结果。肝脏从头合成蛋白质(我)和心脏(J型)来自*第1部分*^+/+和三个*第1部分*^+/−通过脉冲掺入法测量小鼠³⁵S标记的蛋氨酸和半胱氨酸。用SDS-PAGE分离等量的线粒体蛋白（50μg），并用放射自显影术观察。显示了来自三个独立生物实验的代表性凝胶。此图中的所有研究均在30周龄小鼠中进行。

**图3。PTCD1减少影响呼吸链的生物发生，导致轻度解偶联和线粒体形态改变。**
在高达3μM FCCP的情况下，在肝脏中测量磷酸化（状态3）和非耦合呼吸(A类)和心脏(B)4名30周龄儿童的线粒体*第1部分*^+/+和四个*第1部分*^+/−使用OROBOROS氧电极的小鼠，使用丙酮酸、谷氨酸、苹果酸或琥珀酸作为底物，并加入抑制剂。离体肝脏(C类)和心脏(D类)30周龄小鼠的线粒体（75μg）用1%处理n个-十二烷基-β-d日-麦芽糖苷，在4~16%BN-PAGE凝胶上溶解。使用蓝色天然OXPHOS鸡尾酒抗体进行免疫印迹，以可视化呼吸复合物。误差条表示SEM**P（P）*< 0.05, ***P（P）*<0.01，学生的t吨测试。In-gel活性染色用于肝脏中的复合V(E类)和心脏(F类)线粒体。肝脏中OPA1和OMA-1的稳定水平(克)和心脏(**H（H）**)至少8个细胞的线粒体*第1部分*^+/+和八个*Ptcd1型*^+/−用SDHA作为负荷对照，通过免疫印迹法测定小鼠。误差条表示SEM***P（P）*< 0.01, ****P（P）*<0.001，学生t吨测试。线粒体形态和嵴结构*第1部分*^+/+和四个*第1部分*^+/−肝脏(我)和心脏(J型)使用TEM测定。这些数据代表了从每个基因型至少三只小鼠获得的结果。比例尺，0.25μm（底部面板）和1μm（顶部面板）。在肝脏中测量MICOS复合物蛋白的丰度(**K（K）**)和心脏(**L（左）**)至少8个细胞的线粒体*第1部分*^+/+和八个*第1部分*^+/−小鼠使用免疫印迹法。SDHA被用作加载控制。误差条表示SEM****P（P）*<0.001，学生t吨测试。

**图4。*第1部分*^+/−小鼠出现肝脏脂肪变性和心脏肥大。**
(A类)从30周龄开始，分别用H&E或油红O和苏木精对切割至5或10μm厚的肝脏切片进行染色*第1部分*^+/+(n个=6）和*Ptcd1型*^+/−(n个=6）小鼠。(B)使用ImageJ定量测量油红O染色。数值为平均值±SEM**P（P）*<0.05，学生的t吨测试。(C类)ECG参数*第1部分*^+/+(n个=5）和*第1部分*^+/−(n个=5）40周龄小鼠。左室舒张末期内径；LVESD，左室收缩末期内径；FS，分数缩短；LVDPW，舒张期左室后壁；LVSPW，收缩期左室后壁；IVDS，舒张期室间隔；IVSS，收缩期室间隔；心率。数值为平均值±SEM**P（P）*与相比<0.05第1部分^+/+, ***P（P）*<0.01，学生的t吨测试。(D类)切割至5μm厚的心脏切片用来自老年人的H&E染色*第1部分*^+/+(n个=6）和*第1部分*^+/−(n个=6）小鼠。比例尺，100μm。心脏扩大被确定为相对于胫骨长度的心脏重量测量值**P（P）*与相比<0.05第1部分^+/+，学生的t吨测试。尺寸差异的图片表示*第1部分*^+/+和*Ptcd1型*^+/负极成年小鼠的心脏。

**图5。PTCD1减少会导致成年期肥胖和胰岛素抵抗。**
(A类)从5周龄到30周龄之间体重增加的百分比*第1部分*^+/+(n个=12）和*第1部分*^+/−(n个=12）只小鼠**P（P）*< 0.05, ***P（P）*< 0.01, ****P（P）*<0.001，学生t吨测试。(B)年轻人和成年人腹腔附睾脂肪垫的重量（单位：克）*第1部分*^+/+(n个=4）和*第1部分*^+/−(n个=4）小鼠。(C类)10周龄和15周龄儿童的葡萄糖耐量*第1部分*^+/+(n个=12）和*第1部分*^+/−(n个=12）只小鼠（幼鼠）。(D类)30周龄婴儿的葡萄糖耐量*第1部分*^+/+(n个=12）和*第1部分*^+/−(n个=12）小鼠（老年小鼠）。(E类)11周龄和16周龄婴儿的胰岛素敏感性*第1部分*^+/+(n个=12）和*Ptcd1型*^+/−(n个=12）只小鼠（幼鼠）。定量值为曲线下面积（AUC）±SEM**P（P）*<0.05，学生t吨测试。(F类)30周龄婴儿的胰岛素敏感性*第1部分*^+/+(n个=12）和*第1部分*^+/−(n个=12）只小鼠。定量值为AUC±SEM***P（P）*<0.01，学生的t吨测试。

**图6。代谢激素、生长因子和促炎细胞因子随着年龄的增长而增加*第1部分*^+/−老鼠。**
(A类)测定10周龄婴儿血清中的胰岛素、甘油三酯、胆固醇、IL-6、瘦素和FGF-21水平*第1部分*^+/+(n个=6）和*第1部分*^+/−(n个=6）小鼠。(B)测定30周龄婴儿血清中的胰岛素、甘油三酯、胆固醇、IL-6、瘦素和FGF-21水平*第1部分*^+/+(n个=6）和*第1部分*^+/−(n个=6）小鼠。SAPK/JNK及其磷酸化形式（Thr¹⁸³/提尔¹⁸⁵)通过免疫印迹法测定10周龄婴儿的全肝和心脏裂解物(C类)或30周龄(D类)*第1部分*^+/+和*第1部分*^+/−老鼠。GAPDH（甘油醛-3-磷酸脱氢酶）用作负荷控制。误差条表示SEM**P（P）*< 0.05, ***P（P）*< 0.01, ****P（P）*<0.001，学生t吨测试。

**图7。mTOR信号通路在线粒体功能障碍的反应中受到不同的调节*第1部分*^+/−老鼠。**
使用肝脏中mTOR上游和下游的特异性抗体通过免疫印迹法评估mTOR途径(A类)和心脏(C类)裂解物来自*第1部分*^+/+和*第1部分*^+/−使用GAPDH作为负荷控制的30周龄小鼠。免疫印迹法用于测量磷酸化（Thr）的丰度¹⁷²)和肝脏中AMPKα的非磷酸化形式(B)和心脏(D类)30周龄的裂解物*第1部分*^+/+和*第1部分*^+/−使用GAPDH作为负荷控制的小鼠。使用ImageJ软件测量蛋白质的相对丰度，并将其归一化为负荷控制。误差条表示SEM**P（P）*< 0.05, ***P（P）*< 0.01, ****P（P）*<0.001，学生t吨测试。这些数据代表了从每个基因型的至少六只小鼠和三个独立的生物学实验中获得的结果。

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1. Hällberg B.M.，Larsson N.-G.，《发电站中的蛋白质制造》。单元格元数据。20, 226–240 (2014).-公共医学
1. Vafai S.B.，Mootha V.K.，线粒体疾病作为古代细胞器的窗口。《自然》491，374–383（2012）。-公共医学
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