2023年12月26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实验室在Molecular Cell在线发表了题为"A mitophagy sensor PPTC7 controls BNIP3 and NIX degradation to regulate mitochondrial mass"的论文。该论文发现了一个感知并抑制mitophagy的因子PPTC7，阐明了PPTC7调控mitophagy的分子机制并揭示其对线粒体数量和代谢稳态的调控作用。作为监控mitophagy水平的关键因子，PPTC7感知mitophagy受体BNIP3和NIX的蛋白水平，进而起始BNIP3/NIX-PPTC7-SCFFBXL4完整复合物的组装，促进SCFFBXL4泛素化和降解BNIP3和NIX，从而抑制mitophagy。该通路对维持细胞线粒体数量、代谢平衡、和个体存活至关重要。

FBXL4介导的mitophagy调控与退行性疾病MTDPS13

蒋辉实验室长期从事线粒体蛋白稳态调控机制研究，之前报道了一个线粒体外膜复合物UBXD8-VCP介导BNIP3降解，从而抑制mitophagy(链接：EMBO Reports | 蒋辉实验室揭示UBXD8调控凋亡和线粒体自噬的分子机制)。为进一步发掘mitophagy调控机制，研究生曹钰通过靶向线粒体的遗传筛选发现多个mitophagy抑制因子，其中包括FBXL4和PPTC7(链接：EMBO Journal | 蒋辉实验室揭示线粒体自噬调控及线粒体疾病新机制)。已知FBXL4突变导致致死性退行性疾病线粒体DNA耗竭综合征13(MTDPS13)1,2，但其机理未明。作者发现FBXL4定位于线粒体外膜，与Skp1和Cullin1组成SCFFBXL4 E3泛素连接酶。SCFFBXL4通过泛素化降解BNIP3和NIX来抑制mitophagy。而病人来源的FBXL4突变抑制SCFFBXL4组装，导致BNIP3和NIX蛋白积累和mitophagy过度激活。FBXL4突变患者表现出mtDNA耗竭、线粒体数量减少、酸中毒、神经和肌肉退行性病变等严重症状。与FBXL4突变病人类似，Fbxl4^-/-小鼠表现出BNIP3和NIX蛋白积累、mitophagy失控、线粒体数量减少、代谢紊乱和围产期死亡等严重表型。更重要的是，在Fbxl4^-/-小鼠中敲除Bnip3或Nix可以挽救线粒体数量、恢复代谢平衡并挽救小鼠寿命。这些结果表明过度mitophagy导致的线粒体数量减少是MTDPS13的致病原因并为治疗提供了思路。

PPTC7调控FBXL4介导的BNIP3和NIX降解

鉴于BNIP3和NIX强大且危险的线粒体清除能力，细胞必须牢牢控制其水平，但细胞监控并调节BNIP3和NIX降解的分子机制仍不清楚。研究生孙雨秋研究另一个筛选发现的mitophagy抑制因子PPTC7。前人研究表明PPTC7是定位于线粒体基质的磷酸酶。但令人诧异的是，与敲除FBXL4类似，敲除PPTC7同样导致BNIP3和NIX的积累和过度mitophagy；Pptc7^-/-小鼠表现出mitophagy失控、线粒体数量减少和围产期死亡的表型，且该表型可以被Nix敲除所挽救(图1)。此外，PPTC7过表达可促进内源BNIP3和NIX被FBXL4降解，而FBXL4过表达则没有效果，提示PPTC7作为上游限速因子调控FBXL4介导的BNIP3和NIX降解。但是，线粒体基质蛋白PPTC7如何调控线粒体外膜上的蛋白降解？

PPTC7缺失过度激活BNIP3和NIX依赖的mitophagy，造成线粒体数量减少和小鼠死亡。

A,Pptc7 -KO升高小鼠肝脏中mitophagy受体BNIP3和NIX的蛋白水平(红框)并导致其他线粒体蛋白减少(蓝框)。

B,小鼠生存曲线。

PPTC7前体通过与BNIP3/NIX直接互作，滞留在线粒体外膜

通常情况下，线粒体基质蛋白的前体形式(precursor)在N端定位序列(targeting sequence)的引导下进入线粒体，并在线粒体基质切除定位序列，完成成熟过程。作者发现在野生型细胞里，PPTC7以成熟形式(mature form,切除了定位序列)存在于线粒体基质，而在FBXL4-KO细胞里，PPTC7同时具有定位于线粒体基质的成熟形式和定位于线粒体外膜的前体形式。进一步分析表明，FBXL4-KO细胞中积累的BNIP3和NIX导致PPTC7前体出现在线粒体外膜;在野生型细胞中直接过表达BNIP3或NIX也可诱导PPTC7前体出现在线粒体外膜定位。

通过体外重组蛋白实验，作者发现BNIP3和NIX与PPTC7直接互作，并使用交联质谱分析了NIX-PPTC7的互作区域。在截去NIX与PPTC7的直接互作区域后，NIX无法诱导PPTC7前体的外膜定位，表明BNIP3和NIX通过与PPTC7的直接互作，将PPTC7前体定位于线粒体外膜。

弱化的PPTC7定位序列帮助PPTC7在线粒体外膜滞留

有意思的是，作者发现与经典线粒体基质定位序列相比，PPTC7的定位序列长度短且引导能力差，推测该特征削弱了PPTC7前体进入线粒体基质的能力，有利于PPTC7前体被外膜BNIP3/NIX滞留。因此，研究者将PPTC7的定位序列替换成经典序列，发现它使PPTC7全部进入线粒体基质，无法被滞留在外膜，失去调节BNIP3和NIX降解的能力。

外膜PPTC7起始组装BNIP3/NIX-PPTC7-SCF^FBXL4复合物

那么外膜PPTC7如何促进SCFFBXL4介导的BNIP3和NIX降解呢？作者发现除与BNIP3/NIX直接互作之外，PPTC7还与SCFFBXL4复合物中的Cullin1直接互作。作者表达纯化了NIX，PPTC7，FBXL4,Cullin1-Rbx1和Skp1的重组蛋白，发现只有在所有蛋白都存在的情况下，这些蛋白才能组装成完整的NIX-PPTC7-SCFFBXL4复合物，缺少NIX，PPTC7，FBXL4任何一个组分都导致复合物散架。

以上结果提供了一个mitophagy的负反馈调控模型:积累在线粒体外膜的mitophagy受体BNIP3和NIX与PPTC7前体直接互作，将其滞留在外膜，起始BNIP3/NIX-PPTC7-SCFFBXL4复合物的组装，从而泛素化和降解BNIP3和NIX，防止mitophagy过度激活(图2)。

禁食情况下，肝脏诱导PPTC7来抑制mitophagy和维持代谢稳态

一个重要的问题是在负反馈调控mitophagy之外，PPTC7是否还会响应生理信号？鉴于PPTC7过表达能促进BNIP3和NIX降解，作者重点研究了生理信号对PPTC7表达的调节，发现禁食不改变骨骼肌PPTC7的表达，但在肝脏强烈诱导PPTC7。与之相对应，禁食强烈诱导骨骼肌mitophagy，但不改变肝脏mitophagy水平，作者推测肝脏mitophagy受到PPTC7上调的压制。

因此，作者在小鼠肝脏敲除PPTC7，发现禁食导致缺失PPTC7的肝脏丢失大量线粒体。禁食情况下，肝脏负有重要使命-通过糖异生(gluconeogenesis)维持血糖水平。而糖异生需要线粒体提供两个重要支持：ATP和丙酮酸羧化酶(pyruvate carboxylase)。作者发现，敲除肝脏PPTC7导致禁食状态下肝脏ATP缺乏，糖异生受阻，造成严重的低血糖。因此，禁食情况下，肝脏特异上调PPTC7以压制mitophagy，从而维持线粒体数量和代谢稳态(图2)。

PPTC7调控mitophagy的工作模型。

1. mitophagy的负反馈稳态调控。正常情况下，PPTC7表达后进入线粒体基质行使正常功能。当mitophagy受体BNIP3和NIX积累时，BNIP3/NIX将PPTC7前体滞留于外膜，起始BNIP3/NIX-PPTC7-SCFFBXL4复合物组装，从而降解BNIP3和NIX，防止mitophagy过度激活和线粒体丢失。

2. 在禁食情况下，肝脏上调PPTC7以压制mitophagy，从而维持肝脏能量供应和糖异生通路活力，维持血糖水平。

综上，该工作报道了一个感知和抑制mitophagy的PPTC7-SCFFBXL4通路。PPTC7作为关键调控因子，能够整合稳态维持和生理信号来调控mitophagy水平，以此维持线粒体数量和细胞代谢稳态。该通路的发现显著增进了我们对mitophagy与线粒体数量控制(mitochondrial mass control)的理解。禁食情况下，肝脏和骨骼肌对mitophagy的差异化调节及其功能研究也丰富了我们对生理情况下组织特异性mitophagy调控的认知。

清华大学生物医学交叉研究院博士生孙雨秋为论文第一作者，蒋辉博士为通讯作者。该论文其他作者包括蒋辉课题组的曹钰和万华云，董梦秋实验室的阿达莱提买买提明和董梦秋博士，代谢组学中心的马燕博士和曹杨，蛋白质组中心的陈涉博士和李琳，遗传筛选中心的李祺博士和吴重阳，刘清华实验室的王濛。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. Bonnen, Penelope E. et al. Mutations in FBXL4 Cause Mitochondrial Encephalopathy and a Disorder of Mitochondrial DNA Maintenance. The American Journal of Human Genetics 93, 471-481, doi:https://doi.org/10.1016/j.ajhg.2013.07.017 (2013).

2. Gai, X. et al. Mutations in FBXL4, Encoding a Mitochondrial Protein, Cause Early-Onset Mitochondrial Encephalomyopathy. The American Journal of Human Genetics 93, 482-495, doi:https://doi.org/10.1016/j.ajhg.2013.07.016 (2013).