科学家绘制生命暗物质“星空图”

细胞器免疫亲和纯化体系流程示意图及细胞器LncRNA候选分子的选择

LncRNA亚细胞分布及线粒体GAS5的机制示意图

线粒体、溶酶体、内质网等多种细胞器组成的细胞内膜系统高效支撑了机体的正常生理活动。将单个细胞视作浩瀚宇宙，各细胞器就是宇宙星空中的点点繁星。如果要解开细胞器在重要细胞活动规律中的深邃奥秘，就需要深入解析细胞器的组分构成及其作用模式；其中，生命“暗物质”长非编码核糖核酸（LncRNA），对细胞稳态和疾病发生发挥了重要的调控作用，而其作为细胞器组分的分布规律并参与细胞调控的研究尚少。

近日，浙江大学 学院研究员林爱福课题组，通过创建细胞器免疫亲和纯化体系，绘制了细胞器LncRNA图谱，并从中揭示了线粒体细胞器LncRNA GAS5在帮助细胞应对能源匮乏条件，调控线粒体代谢中的重要调控作用，为研究人类疾病发生机理提供了崭新的视角。这项工作进展以封面文章形式刊发在《自然—代谢》。

论文第一作者为浙江大学 学院博士研究生桑凌杰、杨作臻及中山大学肿瘤防治中心鞠怀强副研究员。浙江大学 学院林爱福研究员为该论文的通讯作者。

如果要解开细胞器在重要细胞活动规律中的深邃奥秘，就需要深入解析细胞器的组分构成及其作用模式。多年来，学界一直难以系统地对各类LncRNA清晰定位。这是因为通过密度梯度离心等方法进行组分分离分辨率有限，由于各有膜细胞器及其他无膜细胞器等组分的沉降系数范围交叠，易产生不同细胞器组分间互相干扰，难以获得特定细胞器RNA组分的精确检测分辨率。

如何探明星体的精确坐标定位？林爱福研究团队另辟蹊径，开发了基于免疫亲和纯化的细胞器纯化方案，将抗体免疫亲和纯化蛋白的方法，应用到纯化细胞器，通过抗体特异性抓取细胞器表面标志蛋白，在细胞匀浆液中将完整细胞器连带提取。将基于该免疫亲和纯化方案提取的各精准细胞器进行RNA提取及高通量RNA测序分析，林爱福研究团队绘制了细胞器LncRNA图谱，发现细胞器LncRNA约占总的5.2%，并揭示了其潜在参与所在细胞器相关功能的调控。

该图谱为细胞器定位LncRNA的鉴定及研究提供了重要的线索及资源。“这就好像我们解密宇宙，仰望星空，先把各类星座坐标分类，然后逐级聚焦，进一步对感兴趣的星体进行深入探索。”桑凌杰介绍。

浙江大学求是特聘教授、细胞器生物学专家刘伟教授评价道，这项工作提供了细胞器RNA系统鉴定的新技术，有效规避了细胞器间交叉污染及无膜亚细胞结构的串扰，充分保留了细胞器内部及表面的原生状态，对未来细胞器RNA研究提供了崭新视角。

林爱福研究团队发现，线粒体中柠檬酸循环第一步代谢酶柠檬酸合酶（CS）与最后一步代谢酶苹果酸脱氢酶（MDH2）像项链一样扣在一起，CS与MHD2靠拢聚集形成代谢区室，促进了柠檬酸循环的可持续进行。

而线粒体LncRNAGAS5在细胞面对能量物质匮乏时，进入并富集于线粒体，缓缓打开了代谢循环节点MDH2-CS的扣环，继而抑制了线粒体的“发电”功能。“线粒体GAS5传递了细胞养料匮乏的信号，它的功能就像一个刹车，及时制止了无序的燃料发电过程。”桑凌杰说。

通过肿瘤细胞实验、体内移植瘤实验、临床大样本分析，林爱福研究团队发现GAS5在乳腺癌组织中特异性低表达，而线粒体相关节点代谢酶在肿瘤组织中则特异性高表达。这印证了线粒体“发电厂”对肿瘤增殖的重要作用及GAS5的抑癌角色。

过表达GAS5显著抑制肿瘤中线粒体能量代谢节点的紧密“环扣”及肿瘤增殖，证实了线粒体TCA循环对肿瘤发生发展的重要支持作用。 “针对GAS5或可开发成为肿瘤的警报器，指示肿瘤的发生发展，为肿瘤临床诊断提供了新的潜在分子靶标。”杨作臻介绍说。

该研究得到国家自然科学基金委、浙江大学、浙江大学癌症研究院等各项目的大力支持。

相关论文信息：https://www.nature.com/articles/s42255-020-00325-z