Cell Chemical Biology | 蒋辉/齐湘兵团队合作开发抑制线粒体分裂的小分子MIDI

线粒体融合与分裂的动态平衡调控诸多线粒体功能，如能量代谢、线粒体运输、线粒体自噬、凋亡等。在许多病理情况下，细胞应激和损伤导致线粒体过度分裂，促进细胞死亡。线粒体过度分裂与退行性疾病广泛相关，例如帕金森病和亨廷顿舞蹈病。抑制线粒体分裂可减轻神经系统及其他器官退行性病变。

哺乳动物细胞线粒体分裂由胞质中的GTPase DRP1和它在线粒体外膜上的受体MFF和MiD49/51介导。受体将DRP1招募到线粒体表面并激活DRP1 GTPase活性，催动DRP1围绕线粒体多聚化并缢断线粒体。之前报道的DRP1抑制剂Mdivi-1可抑制酵母线粒体分裂，但其对哺乳动物线粒体分裂的抑制作用存在争议[1, 2]。

2023年2月23日，北京生命科学研究所/清华大学生物医学交叉研究院蒋辉/齐湘兵团队合作在《Cell Chemical Biology》杂志在线发表题为“Chemical inhibition of mitochondrial fission via targeting the DRP1-receptor interaction”的研究论文。在本研究中，作者结合高通量活细胞成像和高通量化合物筛选，得到了多个有效抑制线粒体分裂的小分子。作者对候选化合物进行衍生物制备和结构活性分析后，得到了高效（在细胞上亚微摩尔级别工作浓度）且低毒性小分子MIDI（mitochondrial division inhibitor）。MIDI能够有效促进线粒体融合并且阻断有害应激诱导的线粒体分裂（图1）。此外，MIDI能抑制线粒体融合蛋白MFN1敲除或者MFN2/OPA1疾病相关突变导致的线粒体碎裂（图1）。

MIDI 促进线粒体融合并且抑制应激和遗传突变导致的线粒体分裂。

线粒体用Tom20荧光染色标记。

CCCP，Oligomycin, Antimycin为线粒体呼吸链抑制剂。

作者进一步分析MIDI的作用机理，发现MIDI不影响细胞内DRP1四聚体的形成，不影响体外表达的DRP1 GTPase活性，但抑制DRP1与线粒体的共定位。免疫共沉淀实验表明MIDI阻断DRP1与其受体MFF/MiD49的互作。这些结果表明MIDI可能通过干扰DRP1与其受体的互作来阻断线粒体分裂。

质谱分析细胞内和体外纯化的DRP1发现MIDI可以共价结合DRP1上多个半胱氨酸。作者在DRP1敲除细胞中回补野生型和半胱氨酸突变的DRP1。在表达野生型DRP1的细胞内，MIDI可以阻断DRP1与受体互作，抑制DRP1与线粒体的共定位，和抑制线粒体分裂。而在表达DRP1-C367A的细胞中，MIDI的上述作用全部丧失。与之相对比，突变其他DRP1半胱氨酸位点不能阻断MIDI的作用。这些结果表明MIDI通过与DRP1-C367的共价互作来抑制线粒体分裂。

作者最后用体外重组体系检验MIDI是否直接阻断DRP1与其受体的互作。作者制备了DRP1与受体MFF/MiD49的重组蛋白，发现DRP1与受体互作高度依赖GTP（或其analog）和缓冲体系中的还原力（reducing power）。MIDI可以直接阻断DRP1与MFF/MiD49在体外的互作，而突变DRP1-C367可以阻断MIDI的作用。这些结果证明MIDI结合DRP1-C367位点后可以直接阻断DRP1与受体的互作。

线粒体分裂机制及MIDI抑制线粒体分裂作用机制模式图

综上所述，作者开发了一个靶向DRP1与其受体互作的新型DRP1抑制剂（图2），为未来进一步开发DRP1抑制剂提供了新的思路。蒋辉博士和齐湘兵博士为论文共同通讯作者。蒋辉实验室的PTN项目博士研究生杨俊为论文的第一作者，论文的其他作者包括化学中心的陈佩豪，蒋辉实验室的曹钰、刘珊珊，郑三多实验室的王巍和郑三多博士，化学中心的李娇娇，电镜中心的姜招弟博士，蛋白质谱中心的李琳和陈涉博士，以及代谢中心的马燕博士。该研究由科技部、北京市政府和清华大学共同资助，在北京生命科学研究所完成。

[1] A. Cassidy-Stone, J.E. Chipuk, E. Ingerman, C. Song, C. Yoo, T. Kuwana, M.J. Kurth, J.T. Shaw, J.E. Hinshaw, D.R. Green, J. Nunnari, Chemical inhibition of the mitochondrial division dynamin reveals its role in Bax/Bak-dependent mitochondrial outer membrane permeabilization, Developmental cell, 14 (2008) 193-204.

[2] E.A. Bordt, P. Clerc, B.A. Roelofs, A.J. Saladino, L. Tretter, V. Adam-Vizi, E. Cherok, A. Khalil, N. Yadava, S.X. Ge, T.C. Francis, N.W. Kennedy, L.K. Picton, T. Kumar, S. Uppuluri, A.M. Miller, K. Itoh, M. Karbowski, H. Sesaki, R.B. Hill, B.M. Polster, The Putative Drp1 Inhibitor mdivi-1 Is a Reversible Mitochondrial Complex I Inhibitor that Modulates Reactive Oxygen Species, Developmental cell, 40 (2017) 583-594 e586.

https://doi.org/10.1016/j.chembiol.2023.02.002