Cell|線粒體定位circRNA調控肝臟免疫代謝性炎症機制

莖環結構是什麼

點評 | 宋保亮

（武漢大學）、

陳玲玲

（中科院生化與細胞所）、

劉興國

（中科院廣州生物醫藥與健康研究院）

責編 | 兮

隨著人們生活質量的提高，高熱量飲食和缺乏運動愈來愈普遍，代謝性疾病也成為全球最大的公共健康問題之一

【1-4】

。

代謝性炎症

（metaflammation）

是由營養過剩引起、免疫細胞介導的非可控性炎症。

代謝性炎症是免疫代謝性疾病

（immunometabolic diseases）

的核心特徵

。免疫代謝性疾病包括非酒精性脂肪性肝炎

（NASH）

、糖尿病和肥胖等。非酒精性脂肪肝

（NAFLD）

影響世界約1/4的成年人。NASH是其中一種較重的亞型，部分病人會進展至肝硬化和肝癌，又與其他代謝紊亂如胰島素抵抗和高脂血症密切相關。

因此，為了應對這一全球性的重大疾病，闡明高脂負荷下代謝紊亂是如何轉變為肝臟區域免疫失衡有重要意義。

線粒體是生物能量工廠和代謝樞紐，越來越多研究發現線粒體對細胞命運分化起到決定作用

【5-7】

。線粒體擁有一套母細胞遺傳的環狀基因組，可以轉錄獨立的RNA組。這類RNA部分離開線粒體進入胞漿或細胞核起作用，部分則停留線上粒體。既往研究發現定位在胞漿/胞核的線粒體來源RNA有重要的生物學作用

【8,9】

。

但由於線粒體雙層膜的存在，之前缺乏線粒體RNA的高效遞送系統，這使得線粒體定位的非編碼RNA功能在很大程度上尚不清楚。

2020年9月14日，中山大學

蘇士成

合作團隊在

Cell

雜誌上發表了題為

Targeting Mitochondria-Located circRNA SCAR Alleviates NASH via Reducing mROS Output

的論文。

該研究揭示了線粒體定位的circRNA在代謝性炎症中發揮重要功能，並且率先構建靶向線粒體circRNA的奈米遞送系統，實現在體內外干預線粒體定位circRNA，為靶向線粒體訊號治療代謝性免疫疾病提供新思路。

circRNA是一類獨特的閉合環狀結構的非編碼RNA，它們絕大多數是由真核細胞基因轉錄的前體mRNA的外顯子經剪下和頭尾連線而形成，其定位有顯著的組織和細胞特異性

【10-13】

。星狀細胞是肝臟特有的成纖維細胞，在炎症和纖維中發揮核心作用。在該研究中，研究者收集了NASH患者以及健康對照的原代肝星狀細胞進行circRNA晶片分析。發現一個有趣的現象，

NASH患者的星狀細胞中下調的circRNA有近40%是線粒體基因組轉錄的circRNA，而線粒體基因組來源的circRNA在整個基因組中所佔比例不到0.1%。這強烈的對比表明，代謝炎症對星狀細胞線粒體的功能是有顯著的影響的。

線粒體由雙層膜包裹，由於既往缺乏靶向線粒體RNA的高效遞送系統，一直制約線粒體RNA的研究。為了研究這些線粒體定位的circRNA，研究者團隊

構建了一種線粒體靶向的奈米遞送系統。

在該遞送系統中，circRNA表達載體與含有

三苯基膦

（TPP）

功能團及穿膜序列的兩親性肽透過靜電吸附形成複合物，隨後被包裹在由內涵體酸性pH響應聚合物構建的奈米顆粒中。這些奈米顆粒被細胞攝取後，會對內涵體酸性pH做出響應，釋放出circRNA/兩親性多肽複合物；該複合物會藉助TPP的線粒體靶向功能靶向到線粒體，隨後進一步利用穿膜功能攜帶circRNA跨過線粒體雙層膜並進入到線粒體基質中，最終實現circRNA線上粒體中的高效表達

（圖1）

。

藉助上述靶向線粒體circRNA的奈米遞送系統，作者發現干預其中一條線粒體circRNA SCAR可以顯著抑制mROS的生成和輸出、成纖維細胞的啟用、炎症因子的產生等代謝炎症表型。

圖1 靶向線粒體circRNA的奈米遞送系統

作者透過線粒體分離、RNase R消化、rtPCR、FISH、Northern blot等實驗證實了circRNA SCAR的環狀結構和特殊的線粒體定位。為了探究circRNA SCAR調控成纖維細胞mROS和代謝炎症的作用機制，作者透過pull down分析了與circRNA SCAR相互作用的蛋白，發現circRNA SCAR直接與mPTP複合物中ATP合酶的亞基ATP5B結合，阻斷了CypD與mPTP之間的相互作用，使mPTP處於關閉狀態進而抑制了mROS的輸出。在上游調控機制探索中，作者發現PGC-1α可以介導circRNA SCAR的表達。總的機制如下圖，NASH患者的星狀細胞在高脂負荷下產生了內質網應激，內質網應激相關分子CHOP的上調抑制了PGC-1α的表達，進而抑制了circRNA SCAR的表達，circRNA SCAR的下調解除了對CypD-mPTP結合的抑制，促進mPTP開放從而增加了mROS的輸出，最終導致星狀細胞的過度啟用和肝代謝性炎症的加重

（圖2）

。為了發掘circRNA SCAR調控脂肪肝代謝性炎症的靶向治療潛能，作者

利用上述構建的靶向線粒體circRNA奈米遞送系統，在高脂飲食動物模型中干預circRNA SCAR，發現靶向circRNA SCAR可以減輕高脂負荷導致的代謝炎症表型、肝纖維化表型和胰島素抵抗。

圖2 該課題的主要機制示意圖

總的來說，本研究透過構建靶向線粒體RNA的奈米遞送系統，揭示了線粒體定位circRNA功能，闡明高脂壓力導致的內質網-細胞核-線粒體跨細胞器訊號軸失衡導致免疫代謝性疾病進展的新機制。

據悉，

蘇士成

教授、

高志良

教授和

許小丁

教授是本論文的共同通訊作者。中山大學孫逸仙紀念醫院蘇教授團隊負責科學問題的提出以及總體實驗執行；中山大學附屬三醫院高教授團隊提供脂肪肝患者臨床標本；中山大學孫逸仙紀念醫院許教授團隊負責奈米系統的設計和構建。

宋爾衛

院士提供寶貴的意見。

趙綺毅

副研究員、

劉嘉煜

助理研究員、

鄧洪

主任醫師、

馬瑞穎

研究生為該論文的共同第一作者。感謝

廖建友

教授、

郭志勇

教授和

蔡俊超

教授的支援和意見。

原文連結

https：//doi。org/10。1016/j。cell。2020。08。009

專家點評

宋保亮

（武漢大學生命科學學院院長）

過多脂質在肝臟中堆積導致非酒精性脂肪肝

（NAFLD）

，隨著生活方式的改變，NAFLD已經取代病毒性肝炎

（如：乙肝、丙肝）

成為當前主要的慢性肝病。據估計，全球約1/4的人患有NAFLD，其中15%-25%的NAFLD患者會發展成為脂肪肝炎

（NASH）

，進而，約15%的NASH患者會發展為肝硬化或肝癌。單純的NAFLD是可逆的，但NASH已有肝纖維化導致的永久性肝臟病變。雖然肝實質細胞的脂質堆積是NAFLD/NASH的原初驅動因素，但成纖維細胞、星狀細胞和免疫細胞等在肝臟的纖維化病變過程中發揮更加直接的作用。NAFLD/NASH的治療需要關注兩類完全不同的靶點：1）代謝性病變，這方面已有很多藥物可以採用，如降脂和降糖的藥物；2）纖維化，這方面還沒有藥物。如何減緩和逆轉肝臟纖維化是NAFLD/NASH研究的重點和難點。

該工作的亮點之一是研究系統的選擇。

不同於多數研究者利用的肝實質細胞，Zhao等選取了NASH患者和正常人的肝臟成纖維細胞開展研究，他們發現NASH患者的細胞中，線粒體circRNA顯著下調，他們針對其中的一個circRNA

（SCAR）

開展了深入研究，發現脂肪酸導致ER stress誘導CHOP，CHOP抑制PGC1a，而後者調控SCAR表達，因此脂質導致SCAR減少。SCAR線上粒體內透過結合mPTP的亞基ATP5B而阻止其開放，抑制線粒體ROS和成纖維細胞活化。他們發現的這個SCAR介導的線粒體調控通路對於理解NASH發病過程中肝臟的纖維化有重要意義。這個通路在肝實質細胞、星狀細胞和免疫細胞等的作用，以及對NAFLD/NASH程序的貢獻，也值得未來深入研究。

該工作的另一個突出特點的靶向線粒體的奈米顆粒遞送技術，這有可能成為新的治療手段。

總之，該文章針對重要的臨床問題開展原創研究，無論作用機制還是應用治療都做了大量深入細緻的工作，將NAFLD/NASH的研究提升到了新的高度。

專家點評

陳玲玲

（中國科學院生物化學與細胞生物學研究所，研究員）

近年來，研究發現生物體中穩定存在眾多共價閉環的單鏈RNA，稱為環形RNA

（ciruclar RNA）

，它們以多種不同的作用機制參與神經、腫瘤和天然免疫調控等重要生物學過程。中山大學蘇士成及其合作團隊2020年9月14日在

Cell

雜誌上發表的論文，透過環形RNA晶片分析，首次發現非酒精性脂肪性肝炎（NASH）患者原代肝成纖維細胞中環形RNA的表達量相對於健康人體內較低，且下調的環形RNA中有近40%是線粒體基因組轉錄產生的環形RNA。已知線粒體基因組來源的環形RNA在整個基因組中所佔比例不到0。1%，這一發現提示肝成纖維細胞中線粒體來源的的環形RNA與非酒精性脂肪性肝炎（NASH）的發生發展相關。非酒精性脂肪性肝炎主要特徵為肝細胞大泡性脂肪變伴肝細胞損傷和炎症，嚴重者可發展為肝硬化。蘇士成合作團隊透過構建靶向線粒體的環形RNA的奈米顆粒匯入系統，實現了在體內干預線粒體定位的環形RNA SCAR的表達，首次揭示了該環形RNA透過結合mPTP複合物中ATP合酶的亞基ATP5B在代謝性炎症中發揮重要功能。

這一工作不僅為靶向線粒體定位非編碼RNA的研究提供新的助力，也為靶向線粒體定位的環形RNA SCAR作為代謝性免疫疾病分子標誌物及後續治療代謝性免疫疾病提供了嶄新思路。

此外，該團隊鑑定到環形RNA SCAR在正常人體內的肝成纖維細胞中的高表達

（每個細胞中約為1000個複製數）

以及SCAR中100-182nt形成穩定莖環結構從而結合ATP5B，這些細緻的研究也提示高表達的和具有特定結構的環形RNA可能更傾向於具有生物學功能。期待未來透過研究手段的不斷髮展，在分子機制和病理關聯等方面解析更多環形RNA的功能。

專家點評

劉興國

（中國科學院廣州生物醫藥與健康研究院 研究員）

線粒體RNA研究的“倚天屠龍劍”

線粒體是真核細胞中的重要細胞器，擁有一套母系遺傳的基因組，可以轉錄獨立的RNA組。然而，線粒體存在外膜和內膜雙層膜，每層膜的磷脂雙分子層，如同“飛起玉龍三百萬”的崑崙難以跨越，既往一直缺乏線粒體RNA的匯入系統而無法研究其功能。“安得倚天抽寶劍”？是的，中山大學蘇士成合作團隊創造性的採用一個線粒體靶向的奈米顆粒匯入系統，實現了線粒體RNA研究的“倚天屠龍劍”。

該團隊將線粒體環狀RNA匯入到線粒體基質進行表達，並利用該系統研究線粒體環狀RNA在非酒精性脂肪性肝炎

（NASH）

中的作用及機制。發現線粒體的一類環狀RNA SCAR可以顯著抑制活性氧ROS的生成和釋放、成纖維細胞的啟用、和炎症因子的產生等代謝炎症表型。該研究進一步利用這個系統，在高脂飲食動物模型中發現SCAR可以減輕高脂負荷導致的代謝炎症表型、肝纖維化表型和胰島素抵抗。

該文章實現在體內、體外干預線粒體定位環狀RNA，為靶向線粒體訊號治療代謝性免疫疾病提供了全新思路，為該疾病的臨床治療提供了全新方案。

延伸閱讀：

Nature亮點 | 宋爾衛/蘇士成團隊突破性發現細胞膜的DNA感受器促進腫瘤肝轉移；

Cell | 蘇士成團隊揭示補體調控腫瘤B細胞雙向作用的機制；

Cell丨宋爾衛/劉強合作組報道免疫檢查點抑制療法可以解除腫瘤特異抗體治療中巨噬細胞的免疫抑制

NCB | 宋爾衛/蘇士成合作揭示微環境外泌體lncRNA調控腫瘤代謝重程式設計；

Nat Immunology丨宋爾衛/蘇士成合作組揭示lncRNA調控腫瘤免疫新機制；

製版人：毯毯

參考文獻

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