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.2018年3月2日;8(1):3953.
doi:10.1038/s41598-018-22318-5。

肌萎缩侧索硬化症的代谢重编程

附属公司

肌萎缩侧索硬化症的代谢重编程

M Szelechowski先生等。 科学代表. .

摘要

脊髓线粒体功能障碍是肌萎缩侧索硬化症(ALS)的特征,但该病早期的神经代谢改变尚不清楚。在这里,我们研究了ALS小鼠运动神经元和患者皮肤成纤维细胞的生物能量和蛋白质组变化。我们首先观察到,SODG93A小鼠症状前运动神经元在氧化磷酸化的耦合效率方面表现出变化,同时线粒体网络也出现断裂。症状前ALS小鼠运动神经元的蛋白质组也显示出一种特殊的代谢特征,大多数能量转换酶上调,包括脂肪酸氧化(FAO)和生酮成分HADHA和ACAT2。因此,FAO抑制可改变ALS小鼠运动神经元的细胞活性,而解偶联蛋白2(UCP2)抑制可恢复细胞ATP水平和线粒体网络形态。这些发现提出了一种新的ALS生物能量学假说,将FAO和UCP2联系起来。最后,我们提供了一组独特的数据,比较了人类ALS患者皮肤成纤维细胞和SODG93A小鼠运动神经元中发现的分子变化,揭示了蛋白质翻译、折叠和组装、tRNA氨酰化和细胞粘附过程中的保守变化。

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数字

图1
图1
SOD1G93A ALS运动神经元的生物能量学。(一个)DIV3-5症状前小鼠运动神经元的生化和细胞生物学研究的示意性工作流程。(B类)SOD1G93A ALS小鼠运动神经元(SOD)或野生型鼠运动神经元(WT)的耗氧率(在Seahorse XF96细胞外通量分析仪上测定的OCR)。如方法所述,在常规、低氧或FCCP条件下测量线粒体呼吸。(C))SOD或WT运动神经元中的总ATP和线粒体稳态ATP含量。(D类)用于测量WT或SOD小鼠运动神经元线粒体跨膜电位(Δψ)的TMRM信号的代表性图像(E类)相关量化。(F类)小鼠运动神经元线粒体网络总面积(TOM20标记)归一化为细胞面积(SMI32标记)及相应图像(G公司). (H(H))小鼠运动神经元线粒体网络形态计量分析。
图2
图2
UCP2在ALS运动神经元生物能量学和H中的作用2O(运行)2-清除。(一个)京尼平抑制UCP2对运动神经元总ATP水平的影响(B类)线粒体网络形态(C类)H(H)2O(运行)2稳态水平(由CM-H测量2DCFDA荧光)和(D类)谷胱甘肽氧化还原状态。(E类)SOD1表达水平的Westernblot分析(F类)SOD2和(G公司)SOD1和SOD2蛋白质含量的相对定量(归一化为肌动蛋白)。(H(H))过氧化氢酶表达水平的Westernblot分析()过氧化氢酶蛋白质含量的相对定量(归一化为肌动蛋白)。
图3
图3
SODG93A ALS小鼠运动神经元蛋白质组。(A)与小鼠参考转录组相比,ALS小鼠运动神经元蛋白质组中过度表达GO术语。(B类)SODG93A ALS小鼠运动神经元和野生型小鼠运动神经元蛋白质组的比较。进行灵巧路径分析以确定路径显著不同(p < 0.05)。−log p值显示在橙色线和底部横坐标中。差异蛋白质组中发现的途径中的蛋白质百分比在顶部横坐标中给出。(C类)ALS小鼠运动神经元蛋白质组重构的预测主要调控因子表。
图4
图4
SODG93A ALS运动神经元的蛋白质组重塑。SODG93A ALS运动神经元代谢蛋白质组重构图。过度表达的蛋白质以红色出现,并且在每个蛋白质的名称之后给出相应的折叠变化(SOD/WT)。
图5
图5
ALS患者皮肤成纤维细胞的生物能量变化和蛋白质组重塑。(A)常规条件下皮肤成纤维细胞的呼吸,以及呼吸控制率(常规/低氧呼吸)和解耦比(FCCP/低氧霉素呼吸)的计算。(B类)在皮肤成纤维细胞中测定ADP/ATP比率。(C类)ALS皮肤病患者成纤维细胞的蛋白质组分析(过表达试验)。(D类)ALS皮肤病患者成纤维细胞和健康人成纤维细胞蛋白质组的比较。进行了灵巧路径分析(IPA),路径差异为−log第页价值 > 图中显示了5个。(E类)ALS适应性代谢的生物能量模型显示HADHA、ACAT2、UCP2和HMGCS1的作用。在这个假设模型中,ALS运动神经元转向FAO和氨基酸降解,以传递能量,但反过来生成乙酰辅酶A,然后可用于脂肪酸合成、酮生成和胆固醇合成。因此,必须在FAO的使用和乙酰辅酶a的消除之间保持微调,以促进细胞存活,UCP2可以在这一平衡中发挥中心作用。在我们的模型中,FAO生产的乙酰辅酶A用于氧化磷酸化(路线1)或酮生成和胆固醇合成(路线2)取决于UCP2(路线2..根据这一假设,(i)用京尼平抑制UCP2会导致细胞ATP水平增加(阻断途径1;图2A),而ii)用曲美他嗪(HADHB抑制剂)阻断FAO会降低SOD运动神经元的细胞活力(阻断路线1),对野生型细胞的影响较小(图5E)。该模型考虑了先前的研究结果,这些结果表明,ALS中的VDAC被突变的SOD阻断,迫使细胞依赖脂肪酸等外膜扩散能源。它还考虑了最近发现的显示ALS患者脑脊液中胆固醇积聚的结果。
图6
图6
SOD1G93A小鼠运动神经元和皮肤成纤维细胞间肌萎缩侧索硬化症的常见致病蛋白质组特征。KEGG途径显著富集(FDR < 0.05),并且还显示了相应的蛋白质。图的底部显示了对ALS患者皮肤成纤维细胞进行的类似分析。两种模型中过度表达的蛋白质以粗体显示。

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