细胞中的代谢过程无时不刻受到到各种环境因素的影响。许多小分子代谢物（如氨基酸， 某些辅酶及金属离子等）需要被维持在合适的生理浓度以确保正常的细胞代谢功能。因此，哺乳动物细胞进化出诸多感知并调控代谢产物的分子机制。然而，以往对于代谢感知机制的研究集中于细胞质中的代谢物，而哺乳动物细胞拥有诸多膜包裹的细胞器。这些分区化的亚细胞结构创造出有别于胞质的生化环境。人们对这些亚细胞结构中的代谢物如何被细胞感知调控仍然知之甚少。

谷胱甘肽是细胞中重要的抗氧化剂，并且在细胞铁代谢和异源物质解毒中发挥重要作用。在线粒体，内质网等亚细胞结构中，谷胱甘肽参与铁硫簇合成、蛋白质折叠等重要生理过程，然而其合成通路全部位于细胞质中。这些细胞器中谷胱甘肽的转运及调节机制仍不十分清楚。 2023 年 11 月 2 日，美国洛克菲勒大学 Kivanc Birsoy 课题组在 Science 上发表题为 Autoregulatory Control of Mitochondrial Glutathione Homeostasis 的研究文章（第一作者为博士生 刘雨洋）， 揭示了线粒体中谷胱甘肽平衡的反馈调节机制。

课题组先前的研究表明还原性谷胱甘肽通过线粒体内膜上的转运体 SLC25A39 进入线粒体基质 (Wang et. al Nature 2021 BioArt 2021-10-28 Nature|SLC25A39) 。作者注意到通过药物抑制谷胱甘肽合成亦或敲除谷胱甘肽合成通路的关键酶 GCLC 均引起 SLC25A39 蛋白的强烈升高，提升细胞内存在某种反馈作用机制控制此转运蛋白的水平。通过外源启动子表达的 SLC25A39 蛋白仍然保有对谷胱甘肽的反应， 提示 SLC25A39 的积累不依赖转录调控。作者发现，生理状态下 SLC25A39 蛋白十分不稳定（半衰期仅约 15 分钟）；降低细胞内谷胱甘肽的含量大幅提升了 SLC25A39 蛋白的稳定性并导致其在线粒体中积累。由于 SLC25A39 蛋白联通线粒体基质与细胞质 / 膜间腔两个胞内分区，作者设计了靶向线粒体的谷胱甘肽特异性 γ- 谷氨酰环转移酶 1 (MitoCHAC1) 以特异性地操纵线粒体基质中的谷胱甘肽水平。作者观察到降低线粒体基质中的谷胱甘肽足以引起 SLC25A39 的积累；此外，在通过免疫纯化去除细胞质组分的线粒体中，谷胱甘肽仍可促进 SLC25A39 蛋白的降解 。这些数据表明，线粒体基质中存在感受细胞器内谷胱甘肽的机制并控制转运体 SLC25A39 的稳定性。

作者猜想某种线粒体特异的蛋白降解系统控制 SLC25A39 的水平。为此，作者设计了针对所有已知线粒体蛋白酶的 sgRNA 文库和基于免疫荧光染色和流式细胞分析的 CRISPR 筛选体系。结果表明， 线粒体内膜上面向基质侧的 AAA-atpase 蛋白酶 AFG3L2 负责 SLC25A39 的快速降解。 免疫共沉淀实验显示， AFG3L2 与 SLC25A39 的互作对谷胱甘肽高度敏感：抑制谷胱甘肽合成阻断了 AFG3L2 与 SLC25A39 结合从而防止 SLC25A39 被快速降解并导致其积累，且反馈性地增加线粒体摄取谷胱甘肽的速率。对 AlphaFold 预测的 SLC25A39 结构模型的分析表明， SLC25A39 面对线粒体基质一侧的一个环形区段介导其与 AFG3L2 的互作以及其对谷胱甘肽的反应。进一步的分析表明，此区段中的四个半胱氨酸残基对感受线粒体基质中的谷胱甘肽至关重要：在这些残基中引入突变足以完全阻止 SLC25A39 的积累。

半胱氨酸残基在感受氧化还原平衡和结合辅因子中发挥重要作用。为了揭示这些半胱氨酸残基如何感受谷胱甘肽，作者扩展了先前的 CRISPR 筛选实验：作者设计了涵盖所有已知线粒体定位蛋白的 CRISPR sgRNA 文库并在谷胱甘肽合成受阻的细胞中筛选影响 SLC25A39 积累的基因。结果表明，多个二铁二硫簇合成通路中的基因强烈影响 SLC25A39 积累；急性敲除二铁二硫簇合成因子 ISCU ， HSCB 或 NFS1 后， SLC25A39 的积累受到显著抑制。进一步分析表明，在谷胱甘肽合成受阻时，二铁二硫簇合成避免 SLC25A39 被 AFG3L2 识别，从而帮助其保持稳定。二铁二硫簇通常由四个半胱氨酸结合；作者由此猜想，谷胱甘肽降低时， SLC25A39 中介导感受谷胱甘肽的四个半胱氨酸残基可能直接结合二铁二硫簇。因此，作者合成了含有上述半胱氨酸附近序列的多肽片段；紫外 - 可见吸收光谱和穆斯堡尔谱分析表明，在体外条件下，此多肽片段的确可以结合一个二铁二硫簇。在细胞中，放射性 ⁵⁵ Fe 示踪表明，谷胱甘肽的降低导致 SLC25A39 结合铁信号的强烈增加；并且此现象依赖 SLC25A39 线粒体基质侧的关键半胱氨酸残基。上述结果表明 ， SLC25A39 通过结合一个对谷胱甘肽敏感的二铁二硫簇感受线粒体基质中的谷胱甘肽。作者观察到，在体外谷胱甘肽可以影响前述多肽片段中半胱氨酸残基与二铁二硫簇的结合，可能由此导致此区段被暴露从而被 AFG3L2 识别并降解。

在抗氧化作用之外，谷胱甘肽被认为是细胞内铁离子的重要配体。铁硫簇合成对于调节细胞铁代谢平衡至关重要。因此，作者猜想 SLC25A39 参与的谷胱甘肽感受机制对于线粒体中铁代谢同样发挥作用。通过过表达线粒体铁离子转运体 SLC25A37 或 SLC25A28 增加线粒体中铁的摄取同样导致 SLC25A39 的积累和线粒体中谷胱甘肽的补偿性升高；反之，铁螯合可以降低 SLC25A39 的积累。作者用多种手段扰动线粒体中铁和谷胱甘肽的水平，结果均表明， SLC25A39 的积累受到铁与谷胱甘肽相对平衡的控制。这一机制似乎有助于保护线粒体功能免受铁过载的影响；蛋白质组分析表明，当 SLC25A39 缺失时，线粒体铁过载导致呼吸链，线粒体翻译等蛋白复合体组装更严重的障碍。

综上所述， 此项工作揭示了一种线粒体中谷胱甘肽平衡的反馈调节机制。 线粒体谷胱甘肽与铁的代谢在氧化应激反应，红细胞生成等生理过程中存在显著变化。此种反馈调节机制在上述过程中的作用还不完全明晰。此外，诸多其他代谢物在各个细胞器中选择性富集，这些亚细胞结构中是否存在相应的代谢感知机制有待进一步探索。

（来源： BioArt ）

原文出处： Liu Y, Liu S, Tomar A, Yen FS, Unlu G, Ropek N, Weber RA, Wang Y, Khan A, Gad M, Peng J, Terzi E, Alwaseem H, Pagano AE, Heissel S, Molina H, Allwein B, Kenny TC, Possemato RL, Zhao L, Hite RK, Vinogradova EV, Mansy SS, Birsoy K. Autoregulatory control of mitochondrial glutathione homeostasis. Science. 2023 Nov 2:eadf4154. doi: 10.1126/science.adf4154. Epub ahead of print. PMID: 37917749.

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