撰文 | 阿童木
早在上世纪七八十年代，一些生物化学研究就发现包括甘油磷酸脱氢酶2 （GPD2） 、丙酮酸脱氢酶 （PD H） 、异柠檬酸脱氢酶 （IDH） 和α-酮戊二酸脱氢酶 （OGDH）等在内的线粒体脱氢酶能够被钙离子激活，并诱导线粒体的氧化活性和ATP消耗，表明线粒体钙在调节能量动态中发挥着关键作用【1-3】。线粒体脱氢酶能够催化三羧酸循环 （TCA） 中的关键步骤，并调节细胞的氧化还原平衡，而钙离子对线粒体脱氢酶活性的调节主要是为了精确和快速地匹配ATP需求和消耗间的平衡。
线粒体钙转运蛋白（MCU，mitochondrial calcium uniporter） 是一种位于线粒体内膜上的蛋白质复合体，由MCU、EMRE、MICU1和MICU2组成，专门负责将细胞质中的钙离子运输到线粒体基质中【4】。尽管传统观点认为MCU所介导的钙进入线粒体基质会促进线粒体氧化，MCU敲除应导致严重的代谢问题，但一些研究表明， MCU敲除的小鼠在特定条件下仍能维持正常的代谢功能，并且线粒体氧化可以在体内状态下独立于MCU介导的钙水平变化【5】。
肝脏是代谢调控的核心器官，肝脏胰高血糖素受体激活通过环磷酸腺苷 （cAMP） 生成和PKA活化，导致肌钙蛋白依赖性蛋白激酶II （CAMKII） 的磷酸化和激活，从而导致肌浆网钙释放和胞质钙积累。除了促进胰高血糖素增加肝糖异生的经典作用外，该途径的激活还通过将积累的钙从胞质转移到线粒体，并激活钙敏感性线粒体脱氢酶，促进了线粒体氧化【6】。然而，MCU及其影响的线粒体钙丰度变化在调节肝脏线粒体氧化中的作用尚不清楚。
最近研究发现，虽然MCU KO小鼠的线粒体钙水平降低，但其肝脏线粒体氧化仍然增加，提示胞质钙可能在调节线粒体功能中发挥了更为显著的作用【7】。然而由于技术手段的限制 ，线粒体内钙（[Ca2+]mt）与胞质钙（[Ca2+]cyt）在介导线粒体能量代谢中的作用孰强孰弱，目前仍缺少体内实验的直接证据。
近日，耶鲁大学医学院HHMI研究员Gerald I. Shulman实验室在Cell Metabolism杂志发表了题为The mitochondrial calcium uniporter regulates hepatic mitochondrial fat oxidation and gluconeogenesis by increasing cytosolic calcium and CAMKII的研究文章，利用小鼠肝脏特异性MCU敲除模型，作者发现尽管MCU敲除后线粒体内钙的浓度降低，但肝脏线粒体的脂肪氧化能力却有所增强。这种脂肪氧化增强表型独立于线粒体钙丰度，但与胞质钙激活的CAMKII活性密切相关。本研究揭示了胞质钙在调节肝脏线粒体脂肪氧化中的关键作用，并且表明肝线粒体氧化并不依赖于线粒体钙水平的变化。
为了评估MCU在肝脏中调节线粒体氧化、回补反应 （anaplerosis） 、肝内脂解和糖异生等代谢过程中的作用，作者首先构建了一个肝脏特异性MCU敲除的小鼠模型。利用该模型，作者发现MCU的缺失会导致线粒体钙缓冲能力下降，同时会引起胞质钙的积累上调。可见，MCU在肝细胞内的钙稳态调控中具有双重功能，既影响线粒体钙的调节，也影响胞质钙的丰度。
通过检测MCU KO模型中肝脏脂质代谢的变化，作者发现MCU缺失诱导了脂肪酶ATGL的磷酸化，进而增强了肝内脂解和脂肪酸氧化，最终导致肝脏中甘油三酯和脂滴含量减少。这些结果表明MCU通过影响脂肪组织甘油三酯脂肪酶的活性调控了脂质储存和利用。
鉴于肝脏特异性MCU敲除导致了肝脏脂质积累降低和乙酰辅酶A含量的上升，作者接下来利用Q-Flux （一种基于[13C5]谷氨酰胺的技术，通过质谱检测TCA循环和糖异生过程中13C标记的稀释情况，反映体内线粒体通量的绝对速率） 评估了MCU 敲除小鼠中肝脏线粒体代谢指标。结果表明，在肝脏特异性MCU敲除的小鼠模型中，尽管丙酮酸羧化酶通量、磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶通量和线粒体糖异生速率上调，但整体上肝的葡萄糖生成速率没有发生显著变化，这是由于肝脏内胰岛素清除率的降低导致胰岛素浓度升高，从而在一定程度上抵消了糖异生增强的效果。
尽管[Ca2+]mt通过变构激活上调了线粒体脱氢酶类的活性，从而诱导线粒体氧化速率的增加， 但在MCU敲除小鼠中，即使[Ca2+]mt降低，但线粒体氧化通量（包括IDH、OGDH和琥珀酸脱氢酶）仍显著增加。此外，肝脏脂肪酸氧化的绝对速率也大幅提高， 表明线粒体氧化速率可以独立于[Ca2+]mt而发生变化。进一步利用Q-Flux检测发现，MCU的敲除通过增加[Ca2+]cyt浓度，潜在地激活了CAMKII而促进线粒体氧化、丙酮酸补充反应和线粒体糖异生。在过表达CAMKII的小鼠中，肝脏氧化和补充反应通量显著增加，重现了MCU KO小鼠的表型，而抑制CAMKII能够消除由敲除MCU 带来的对线粒体氧化和丙酮酸补充的上调作用。因此，在MCU 敲除小鼠中，胞质中CAMKII的激活是导致线粒体氧化、丙酮酸补充反应和线粒体糖异生等被激活的关键。
另一方面，之前研究发现体外条件下敲除MCU会诱导钙敏感型谷氨酸-天冬氨酸转运蛋白aralar的激活，后者促进了苹果酸-天冬氨酸穿梭的活性。此外，因此与aralar类似，SCaMC-3是具有钙结合结构域的线粒体ATP-Mg/Pi载体，位于膜间隙中，对线粒体外的钙也敏感。作者检测了aralar或SCaMC-3的激活和苹果酸-天冬氨酸穿梭活性的增加是否也在MCU 敲除小鼠中增加了线粒体的氧化活性。结果表明，尽管MCU敲除导致胞质钙积累和相应的线粒体氧化增强，但这种增强不依赖于胞质钙对aralar和SCaMC-3的活化。
综上所述，本研究发现肝脏 MCU 缺失会诱导细胞浆 Ca2+ 积累和 CAMKII 的活化，CAMKII 活化继而会诱导肝内脂肪分解和糖异生，并诱导肝线粒体氧化。与传统观点不同，本研究发现线粒体内的Ca2+ 在调控肝线粒体氧化方面并非不可或缺。本研究揭示了胞质钙而非线粒体钙，通过CAMKII依赖性机制，在体内调节肝脏线粒体氧化和糖异生速率中起到了关键作用。本研究为理解线粒体和钙信号在能量代谢中的复杂调节机制提供了新的视角。
https://doi.org/10.1016/j.cmet.2024.07.016
制版人：十一
参考文献
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6. Perry, R.J., Zhang, D., Guerra, M.T., Brill, A.L., Goedeke, L., Nasiri, A.R., Rabin-Court, A., Wang, Y., Peng, L., Dufour, S., et al. (2020). Glucagon stimulates gluconeogenesis by INSP3R1-mediated hepatic lipolysis.Nature579, 279–283.
7. Szibor, M., Gizatullina, Z., Gainutdinov, T., Endres, T., Debska-Vielhaber, G., Kunz, M., Karavasili, N., Hallmann, K., Schreiber, F., Bamberger, A., et al. (2020). Cytosolic, but not matrix, calcium is essential for adjustment of mitochondrial pyruvate supply.J. Biol. Chem.295, 4383–4397.
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