PERK依赖性MERCS组装通过线粒体重塑调控寿命的适应性内质网应激机制

《CELL DEATH AND DIFFERENTIATION》：Adaptive ER stress promotes mitochondrial remodelling and longevity through PERK-dependent MERCS assembly

本研究揭示了适应性内质网应激通过PERK依赖性MERCS组装促进线粒体重塑与寿命延长的创新机制。研究人员通过肌母细胞和秀丽隐杆线虫模型，发现低剂量衣霉素诱导的轻度ER应激可激活PERK/PEK-1信号通路，增强细胞器间通讯，改善线粒体功能并延长健康寿命。该研究为年龄相关疾病治疗提供了新的靶点策略。

　　

在细胞这个微小的生命王国里，内质网和线粒体如同两个重要的器官部门，它们之间的高效沟通对维持细胞健康至关重要。这两个细胞器通过特殊的接触点——线粒体-内质网接触位点（MERCS）进行信息交换，调控着钙离子传输、脂质代谢和能量生产等关键生命活动。然而，随着年龄增长或疾病状态，这种精细的通讯网络会出现故障，导致细胞功能紊乱，进而引发神经退行性疾病、肌肉减少症等年龄相关疾病。

目前科学家们面临的核心难题是：如何在不引发细胞凋亡的前提下，温和地激活细胞的自我保护机制？传统的观点认为，内质网应激往往导致细胞走向死亡，但最新研究表明，适度激活内质网未折叠蛋白反应（UPR^ER）可能产生有益的生物效应。这一科学悖论激发了研究人员的浓厚兴趣。

为了解开这个谜题，研究团队在《CELL DEATH AND DIFFERENTIATION》上发表了创新性研究。他们采用多层次的实验方法，包括细胞生物学模型（C2C12肌母细胞）和整体动物模型（秀丽隐杆线虫），通过蛋白质印迹、透射电子显微镜、免疫荧光染色、线粒体呼吸测量、钙成像、质谱蛋白质组学和RNA测序等技术，系统探究了轻度内质网应激对细胞器通讯和机体寿命的调控机制。

PERK促进肌母细胞在生理水平ER应激剂下的肌生成

研究人员发现，用低浓度衣霉素（TM）处理C2C12肌母细胞可显著增强其肌生成潜力，表现为肌管直径、面积和融合指数的增加。这种促进作用依赖于PERK信号通路，因为使用PERK抑制剂AMG44或siRNA敲低PERK会消除TM的积极作用。相反，IRE1α抑制剂MKC8866虽然降低了基础肌生成指标，但与TM联合处理时仍能部分恢复肌生成能力。

PERK促进适应性UPR期间的MERCS组装和线粒体适应

TM处理显著增加了线粒体含量和膜电位，提高了线粒体基础呼吸和最大呼吸能力。透射电镜分析显示，TM处理促进了线粒体表面積增加、长宽比增大以及MERCS表面積扩展。这些适应性变化在PERK抑制后消失，表明PERK是MERCS组装和线粒体功能改善的关键调节因子。

PERK是适应性UPRER激活自噬和线粒体自噬所必需的

蛋白质组学分析显示，TM处理上调了71个与线粒体自噬、ADP/ATP转运等相关的蛋白质。利用pH敏感性线粒体报告基因证实了TM处理增加了线粒体自噬活性。Western blot结果显示自噬相关蛋白ULK1、LC3-II/I表达增加，p62水平降低，表明自噬流增强。超微结构分析进一步证实了自噬体、自噬溶酶体数量的增加。

早期生命诱导UPRER延长秀丽隐杆线虫寿命并保持健康寿命

在胚胎期进行TM处理显著延长了线虫寿命，提高了对砷酸钠、叔丁基过氧化氢和百草枯的抵抗能力。CeleST游泳测试显示，TM处理组在整个衰老过程中保持了更好的运动能力和更低的衰弱指标。UPR^ER和UPR^mt报告基因表达增加，证实了应激通路的激活。

p≤0.01 Student's t test.D,E Activation of UPR assessed by hsp-4::GFP(UPRER)and hsp-6p::GFP(UPRmt) following TM treatment. Scale 275μm.Mean±SEM of at least 20 animals/assay.p≤0.0001 Student's t test.F Semiquantitative PCR analysis of expression ratio between XBP1s:XBP1u transcripts.n=3,Each lane represents independent biological replicates, data represented as mean SEM;p≤0.01 Student's test.G,H,I Survival of wild type in Sodium Arsenite, tBuOOH and Paraquat. Kaplan-Meier survival plots of two independent experiments initiated with 45 animals/group.Mean±SEM;***p≤0.0001 by Log-rank(Mantel-Cox) test compared with wild-type control.J CeleST physical fitness parameters at days 1,5,10,and 15.Data mean of at least 30 animals/assay.K CeleST physical frailty parameters at days 1,5,10,and 15 individual values controls and TM-treated worms during ageing. Data mean of at least 30 animals/assay.'>

早期生命UPR诱导通过调节脂质代谢和溶酶体激活促进线虫寿命延长

转录组分析显示，胚胎期TM处理上调了脂质代谢和溶酶体相关基因，而L4期处理则下调了这些通路。油红O染色证实了胚胎期TM处理减少脂质储存，L4期处理增加脂质积累。溶酶体酸度测量表明胚胎期TM处理增加了溶酶体酸性。

早期生命UPR诱导刺激MERCS形成、线粒体能力和线粒体自噬

TM处理增加了线粒体含量、膜电位和呼吸能力。电镜分析显示线粒体表面積、长宽比和内外膜比例增加。MERCS表面積显著扩展，线粒体自噬活性增强。线粒体网络形态分析表明TM处理延缓了衰老相关的线粒体碎片化。

p≤0.0001. Student's t test.C Oxygen consumption of adult day 1 N2 worms following treatment with TM. Data from 3 independent experiments with 8-12 animals per well. Mean±SEM;p<0.05 Student's t test. D Representative TEM images of sections from day 1 C. elegans body wall muscle cells.Mitochondrial surface area, aspect ratio and IMM/OMM surface area ratio were calculated. Scale 200 nm. Mean±SEM;p≤0.05 andp≤0.01 Student's t test.E Representative images of the head region of the pmyo-3::TOMM-20::Rosella day 1 reporter strain following TM treatment from 3 independent experiments initiated with 15 animals/group;p<0.01 Student's t test. Scale 75μm.F Representative TEM images of sections from day 1 C. elegans body wall muscle cells. Representative images of 3 independent experiments initiated with 10 animals/group. Scale 200 nm. Mean±SEM;p≤0.01 Student's t test. G Representative images of day 2, 4 and 6 pmyo-3::mitogfp reporter strain for muscle mitochondrial morphology,classified as either filamentous,intermediate or punctate.Three independent experiments were initiated with 15 animals/condition.Scale 50μm.n=3p<0.05 Chi-square.'>

PEK-1（UPRER）和ATFS-1（UPRmt）串扰调节UPR在秀丽隐杆线虫中的适应性

PEK-1和ATFS-1突变体均消除了TM处理的寿命延长效应，降低了应激抵抗力和线粒体膜电位。双突变体表现出更严重的表型缺陷，表明PEK-1和ATFS-1在同一信号通路中协同作用，调控UPR介导的适应性反应。

p≤0.0001 Log-rank(Mantel-Cox) test. D MitoTracker Red images of TM-treated adult day 1 atfs-1(tm4525) worms. Scale 275μm. Mean± SEM;p≤0.0001 Student's t test. E Lifespan assay of N2 Wild-type, pek-1(ok275),atfs-1(tm4525) and pek-1;atfs-1 worms following TM treatment Kaplan-Meier survival plots of two independent experiments initiated with 100 animals per group.F Mean lifespan of N2, pek-1(ok275),atfs-1(tm4525) and pek-1;atfs-1 strains.p≤0.05,p≤0.01,p≤0.001,p≤0.0001 One-way ANOVA.G MitoTracker Red images of day1 N2, pek-1(ok275),atfs-1(tm4525) and pek-1;atfs-1 strains.Data mean SEM of 45 animals/assay.p≤0.001,p≤0.0001 One-way ANOVA.H Images of pmyo-3::mitogifp reporter strain adult day4 N2 WT, pek-1(ok275),atfs-1(tm4525) and pek-1;atfs-1 backgrounds.3 independent experiments with 15 animals/condition,n=3;Scale 12μm.p≤0.05,p≤0.01,p≤0.001,p≤0.0001 Chi-square. I CeleST physical fitness parameters at day 1 following TM treatment of N2 WT, pek-1,atfs-1 and pek-1;atfs-1 strains. Data from 3 independent experiments initiated with at least 10 animals per condition. Mean±SEM;p≤0.01,p≤0.001 One-way ANOVA.J CeleST physical fitness parameters that increase with age; average fitness parameters at day 1 following TM treatment of N2 WT, pek-1, atfs-1 and pek-1;atfs-1 mutant strains. Data from three independent experiments initiated with at least 10 animals/conditions.Mean± SEM;p≤0.01 and****p≤0.0001 One-way ANOVA.'>

这项研究的重要意义在于揭示了适应性内质网应激通过PERK依赖性机制调控细胞器通讯的新范式。研究发现早期发育阶段诱导的轻度ER应激能够通过PEK-1/ATFS-1信号串扰，促进MERCS组装，增强线粒体功能和质量控制，从而改善组织功能并延长机体寿命。这种时序依赖性的应激反应为理解发育可塑性提供了新视角，表明早期生命阶段暴露于适度应激可能编程出更健康的衰老轨迹。

该研究的创新点在于明确了PERK在MERCS组装中的核心作用，揭示了UPR^ER与UPR^mt之间的信号对话机制，并证明了这种适应性反应具有发育阶段特异性。这些发现不仅深化了对细胞器通讯分子机制的理解，还为开发针对年龄相关疾病的干预策略提供了新思路，特别是通过调节MERCS组装来改善线粒体功能和治疗代谢性疾病、神经退行性疾病等方面具有重要转化价值。

然而，该研究仍存在一些局限性，如对MERCS组装时空动态的解析不够深入，对氧化还原信号在其中的具体作用机制需要进一步阐明。未来研究需要开发更精确的工具来量化局部氧化还原信号和蛋白质修饰，从而完整揭示适应性UPR信号网络的调控机制。总体而言，这项研究为理解细胞应激反应与机体健康衰老的关系提供了重要理论基础，开辟了细胞器通讯调控衰老过程的新研究方向。