线粒体-过氧化物酶体接触通过ROS转移调控线粒体氧化还原平衡的机制研究

作者及发表信息
本研究由Laura F. DiGiovanni（多伦多大学病童医院细胞与系统生物学项目）、Prabhsimran K. Khroud等来自加拿大、英国、奥地利等多国研究机构的20余位学者共同完成，于2025年7月10日发表在《Science》期刊上，题为《ROS transfer at peroxisome-mitochondria contact regulates mitochondrial redox》。

学术背景
线粒体氧化还原稳态对细胞健康至关重要，其活性氧（ROS）主要由电子传递链（ETC）产生。传统观点认为线粒体通过内源性抗氧化系统清除ROS，但外源性机制（如过氧化物酶体）的作用尚不明确。过氧化物酶体（peroxisome）富含抗氧化酶（如过氧化氢酶catalase），其还原性环境可能协助线粒体应对氧化压力。此前研究发现，过氧化物酶体功能障碍会导致线粒体氧化损伤，但二者间的直接调控机制未知。本研究旨在揭示过氧化物酶体如何通过膜接触位点（membrane contact site）介导ROS转移以维持线粒体氧化还原平衡。

研究流程与方法
1. 膜接触位点的发现与验证
- 成像技术开发：研究者构建了高分辨率激光共聚焦显微镜时空成像方法，通过荧光标记过氧化物酶体（UB-GFP-SKL）和线粒体（MT-RFP），量化两者接触频率（≤1像素距离且持续>31秒为有效接触）。
- 应激响应实验：在Huh7细胞中，线粒体氧化应激诱导剂（如鱼藤酮rotenone、半乳糖galactose）显著增加过氧化物酶体-线粒体（PO-Mito）接触频率（如鱼藤酮处理30分钟后接触率提升30%）。此效应可被线粒体靶向过氧化氢酶（MT-CAT）逆转，证实接触响应氧化压力。

1. 接触位点的分子机制

   • 蛋白质互作筛选：通过生物素邻近标记（BioID）筛选，发现过氧化物酶体膜蛋白ACBD5与线粒体外膜蛋白PTPIP51直接结合，形成PO-Mito接触的分子桥梁。
     
   • 功能验证：敲低ACBD5或PTPIP51（siRNA）减少接触，而过表达则增加接触。AlphaFold模拟预测两者通过卷曲螺旋结构域（CCD）形成异源四聚体，实验证实CCD缺失突变体（ACBD5ΔCCD）丧失结合能力。
     

2. 氧化还原调控功能

   • 氧化压力表型：ACBD5敲除（KO）细胞显示线粒体形态异常（面积增大、数量减少）、膜电位降低，且半乳糖诱导的线粒体ROS（mt-Hyper7探针检测）升高更显著。
     
   • ROS转移证据：半乳糖处理下，野生型细胞的过氧化物酶体谷胱甘肽氧化（GRX1-roGFP2-SKL探针）增加，而ACBD5 KO细胞此响应减弱。人工构建PO-Mito接触（TOM20-CER-PEX26融合蛋白）可恢复ROS转移能力。
     

3. 机制模型

   • 动态调控：线粒体氧化应激上调ACBD5-PTPIP51介导的接触，促进ROS向过氧化物酶体转移，利用其高浓度catalase清除ROS，避免线粒体羟基自由基损伤。
     

主要结果与逻辑链
- 图1：证实PO-Mito接触的应激响应性及ACBD5-PTPIP51的核心作用。
- 图2：ACBD5 KO导致细胞整体氧化状态升高（核NRF2积累）、线粒体融合异常，人工接触或MT-CAT可逆转。
- 图3-4：半乳糖或鱼藤酮刺激下，PO-Mito接触缺失导致线粒体ROS清除能力下降，而过氧化物酶体氧化状态变化依赖接触完整性。

结论与价值
1. 科学意义：首次揭示过氧化物酶体通过膜接触直接调控线粒体氧化还原稳态，提出“多细胞器协同抗氧化”新范式。
2. 疾病关联：过氧化物酶体疾病（如Zellweger综合征）中线粒体功能障碍可能源于接触介导的ROS转移缺陷。
3. 技术创新：开发的时空成像分析工具（Zenodo公开代码）为细胞器互作研究提供新方法。

研究亮点
- 原创发现：ACBD5-PTPIP51作为首个已知的PO-Mito接触分子对。
- 动态机制：接触频率响应氧化压力，体现生理适应性。
- 跨学科方法：整合超分辨成像、AlphaFold预测、 redox探针等前沿技术。

其他价值
- 提出过氧化物酶体可能通过类似机制调控其他细胞器（如内质网、吞噬体）的氧化还原平衡，为后续研究提供方向。
- 数据与代码开源（MassIVE、Zenodo），促进领域内重复验证与拓展。