Kinesin-3介导的线粒体运输通过抑制局部钙离子脉冲调控caspase依赖性细胞区室化死亡的机制研究

本刊推荐：研究人员为探索极性细胞程序性死亡的调控机制，以线虫尾部钉细胞（TSC）为模型，发现Kinesin-1（UNC-116）和Kinesin-3（UNC-104）通过区室特异性线粒体运输调控细胞死亡进程。线粒体通过MCU-1依赖的Ca2+摄取发挥细胞保护作用，而CED-3/caspase通过抑制UNC-104介导的线粒体运输促进死亡程序。该研究揭示了细胞死亡中细胞器运输和钙信号的空间调控新机制。

　　

在生物体发育过程中，程序性细胞死亡是维持组织稳态的关键环节。对于神经元等极性细胞而言，其不同区室可能采用不同的死亡机制，这一过程被称为区室化细胞消除（Compartmentalized Cell Elimination, CCE）。然而，细胞器运输和局部信号如何调控这种精细的死亡过程仍不清楚。

研究人员利用秀丽隐杆线虫的尾部钉细胞（TSC）作为模型，发现这种细胞在胚胎发育过程中会经历高度有序的CCE过程：细胞体变圆、近端突起出现珠状结构和片段化、远端形成节点并收缩。这种区室特异性的死亡程序为研究复杂细胞的消除机制提供了独特视角。

为了揭示CCE的调控机制，研究团队采用荧光显微成像、CRISPR-Cas9基因编辑、钙离子指示剂（GCaMP5a）和caspase活性报告系统（GFP::C3Ai）等技术，结合遗传学分析，系统研究了细胞器运输和信号传导在CCE中的作用。

研究首先通过高分辨率时空图谱绘制了CCE的动态过程，将TSC分为胞体（soma）、胞体-突起连接区（spj）、近端突起（proximal process）和远端突起（distal process）四个功能区室。研究发现spj区域最先出现膜"刻痕和切断"现象，是该细胞死亡程序的起始位点。

线粒体区室化运输调控CCE进程

通过正向遗传学筛选，研究人员发现UNC-116/Kinesin-1突变会导致TSC远端突起持续存在。UNC-116在TSC中特异性表达，并通过非典型地向胞体方向运输线粒体促进CCE。在unc-116突变体中，线粒体异常滞留于突起区域，阻碍了死亡程序的完成。

CED-3/caspase活性在spj区域的局部调控

研究发现CED-3/caspase在spj区域表现出特异性活性，该活性对于膜切断过程至关重要。在ced-3突变体中，虽然出现细胞变圆、突起珠状化等早期死亡特征，但膜切断过程不能完成，最终导致细胞死亡程序逆转和细胞存活。

UNC-104/Kinesin-3的非经典功能

令人惊讶的是，通常运输突触囊泡的UNC-104/Kinesin-3在ced-3突变背景下表现出运输线粒体的非经典功能。通过构建线粒体特异性运输工具（TSCp::Mito-UNC-104）和共定位分析，研究人员证实UNC-104能够将线粒体运输至spj区域。

线粒体通过MCU-1依赖的钙摄取发挥保护作用

研究表明，线粒体的保护作用不依赖于能量产生（clk-1突变不影响表型），而是通过MCU-1（线粒体钙单向转运体）介导的Ca²⁺摄取实现的。在ced-3突变体中，spj区域出现局部Ca²⁺升高，而线粒体通过摄取这些Ca²⁺阻止死亡程序进展。

微管极性的区室特异性

研究人员还发现TSC不同区室的微管极性存在差异：spj区域呈现混合极性，近端区域微管正向朝内，而最远端区域微管正向朝外。这种微管极性差异可能解释了不同运动蛋白的区室特异性功能。

研究最终提出一个整合模型：在正常CCE过程中，UNC-116将线粒体从突起运输至胞体，而CED-3/caspase通过抑制UNC-104的线粒体运输功能，防止线粒体进入spj区域。spj区域因此发生局部Ca²⁺升高和膜切断，推动死亡程序完成。在ced-3突变背景下，UNC-104能够运输线粒体至spj区域，通过MCU-1介导的Ca²⁺摄取中和死亡信号，导致细胞存活。

这项研究发表在《Current Biology》上，首次揭示了kinesin运动蛋白在细胞死亡中的非经典功能，阐明了线粒体区室化运输和局部钙信号在程序性细胞死亡中的关键作用，为理解复杂细胞的消除机制提供了新视角，对神经退行性疾病和癌症治疗研究具有重要意义。