【学术前沿】专家点评|苏士成/高志良/许小丁合作揭示线粒体定位circRNA调控肝脏免疫代谢性炎症…

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点评 | 宋保亮（武汉大学）、陈玲玲（中科院分子细胞科学卓越创新中心）、刘兴国（中科院广州生物医药与健康研究院）

随着人们生活质量的提高，高热量饮食和缺乏运动愈来愈普遍，代谢性疾病也成为全球最大的公共健康问题之一【1-4】。代谢性炎症（metaflammation）是由营养过剩引起、免疫细胞介导的非可控性炎症。代谢性炎症是免疫代谢性疾病（immunometabolic diseases）的核心特征。免疫代谢性疾病包括非酒精性脂肪性肝炎(NASH)、糖尿病和肥胖等。非酒精性脂肪肝 (NAFLD)影响世界约1/4的成年人。NASH是其中一种较重的亚型，部分病人会进展至肝硬化和肝癌，又与其他代谢紊乱如胰岛素抵抗和高脂血症密切相关。因此，为了应对这一全球性的重大疾病，阐明高脂负荷下代谢紊乱是如何转变为肝脏区域免疫失衡有重要意义。

线粒体是生物能量工厂和代谢枢纽，越来越多研究发现线粒体对细胞命运分化起到决定作用【5-7】。线粒体拥有一套母细胞遗传的环状基因组，可以转录独立的RNA组。这类RNA部分离开线粒体进入胞浆或细胞核起作用，部分则停留在线粒体。既往研究发现定位在胞浆/胞核的线粒体来源RNA有重要的生物学作用【8,9】。但由于线粒体双层膜的存在，之前缺乏线粒体RNA的高效递送系统，这使得线粒体定位的非编码RNA功能在很大程度上尚不清楚。

2020年9月14日，中山大学苏士成合作团队在Cell 杂志上发表了题为Targeting Mitochondria-Located circRNA SCAR Alleviates NASH via Reducing mROS Output 的论文。该研究揭示了线粒体定位的circRNA在代谢性炎症中发挥重要功能，并且率先构建靶向线粒体circRNA的纳米递送系统，实现在体内外干预线粒体定位circRNA，为靶向线粒体信号治疗代谢性免疫疾病提供新思路。

circRNA是一类独特的闭合环状结构的非编码RNA，它们绝大多数是由真核细胞基因转录的前体mRNA的外显子经剪切和头尾连接而形成，其定位有显著的组织和细胞特异性【10-13】。星状细胞是肝脏特有的成纤维细胞，在炎症和纤维中发挥核心作用。在该研究中，研究者收集了NASH患者以及健康对照的原代肝星状细胞进行circRNA芯片分析。发现一个有趣的现象，NASH患者的星状细胞中下调的circRNA有近40%是线粒体基因组转录的circRNA，而线粒体基因组来源的circRNA在整个基因组中所占比例不到0.1%。这强烈的对比表明，代谢炎症对星状细胞线粒体的功能是有显著的影响的。

线粒体由双层膜包裹，由于既往缺乏靶向线粒体RNA的高效递送系统，一直制约线粒体RNA的研究。为了研究这些线粒体定位的circRNA，研究者团队构建了一种线粒体靶向的纳米递送系统。在该递送系统中，circRNA表达载体与含有三苯基膦(TPP)功能团及穿膜序列的两亲性肽通过静电吸附形成复合物，随后被包裹在由内涵体酸性pH响应聚合物构建的纳米颗粒中。这些纳米颗粒被细胞摄取后，会对内涵体酸性pH做出响应，释放出circRNA/两亲性多肽复合物；该复合物会借助TPP的线粒体靶向功能靶向到线粒体，随后进一步利用穿膜功能携带circRNA跨过线粒体双层膜并进入到线粒体基质中，最终实现circRNA在线粒体中的高效表达（图1）。借助上述靶向线粒体circRNA的纳米递送系统，作者发现干预其中一条线粒体circRNA SCAR可以显著抑制mROS的生成和输出、成纤维细胞的激活、炎症因子的产生等代谢炎症表型。

图1 靶向线粒体circRNA的纳米递送系统

作者通过线粒体分离、RNase R消化、rtPCR、FISH、Northern blot等实验证实了circRNA SCAR的环状结构和特殊的线粒体定位。为了探究circRNA SCAR调控成纤维细胞mROS和代谢炎症的作用机制，作者通过pull down分析了与circRNA SCAR相互作用的蛋白，发现circRNA SCAR直接与mPTP复合物中ATP合酶的亚基ATP5B结合，阻断了CypD与mPTP之间的相互作用，使mPTP处于关闭状态进而抑制了mROS的输出。在上游调控机制探索中，作者发现PGC-1α可以介导circRNA SCAR的表达。总的机制如下图，NASH患者的星状细胞在高脂负荷下产生了内质网应激，内质网应激相关分子CHOP的上调抑制了PGC-1α的表达，进而抑制了circRNA SCAR的表达，circRNA SCAR的下调解除了对CypD-mPTP结合的抑制，促进mPTP开放从而增加了mROS的输出，最终导致星状细胞的过度激活和肝代谢性炎症的加重（图2）。为了发掘circRNA SCAR调控脂肪肝代谢性炎症的靶向治疗潜能，作者利用上述构建的靶向线粒体circRNA纳米递送系统，在高脂饮食动物模型中干预circRNA SCAR，发现靶向circRNA SCAR可以减轻高脂负荷导致的代谢炎症表型、肝纤维化表型和胰岛素抵抗。

图2 该课题的主要机制示意图

总的来说，本研究通过构建靶向线粒体RNA的纳米递送系统，揭示了线粒体定位circRNA功能，阐明高脂压力导致的内质网-细胞核-线粒体跨细胞器信号轴失衡导致免疫代谢性疾病进展的新机制。

据悉，苏士成教授、高志良教授和许小丁教授是本论文的共同通讯作者。中山大学孙逸仙纪念医院苏教授团队负责科学问题的提出以及总体实验执行；中山大学附属三医院高教授团队提供脂肪肝患者临床标本；中山大学孙逸仙纪念医院许教授团队负责纳米系统的设计和构建。宋尔卫院士提供宝贵的意见。赵绮毅副研究员、刘嘉煜助理研究员、邓洪主任医师、马瑞颖研究生为该论文的共同第一作者。感谢廖建友教授、郭志勇教授和蔡俊超教授的支持和意见。

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.08.009

专家点评

宋保亮（武汉大学生命科学学院院长）

过多脂质在肝脏中堆积导致非酒精性脂肪肝（NAFLD），随着生活方式的改变，NAFLD已经取代病毒性肝炎（如：乙肝、丙肝）成为当前主要的慢性肝病。据估计，全球约1/4的人患有NAFLD，其中15%-25%的NAFLD患者会发展成为脂肪肝炎（NASH），进而，约15%的NASH患者会发展为肝硬化或肝癌。单纯的NAFLD是可逆的，但NASH已有肝纤维化导致的永久性肝脏病变。虽然肝实质细胞的脂质堆积是NAFLD/NASH的原初驱动因素，但成纤维细胞、星状细胞和免疫细胞等在肝脏的纤维化病变过程中发挥更加直接的作用。NAFLD/NASH的治疗需要关注两类完全不同的靶点：1）代谢性病变，这方面已有很多药物可以采用，如降脂和降糖的药物；2）纤维化，这方面还没有药物。如何减缓和逆转肝脏纤维化是NAFLD/NASH研究的重点和难点。

该工作的亮点之一是研究系统的选择。不同于多数研究者利用的肝实质细胞，Zhao等选取了NASH患者和正常人的肝脏成纤维细胞开展研究，他们发现NASH患者的细胞中，线粒体circRNA显著下调，他们针对其中的一个circRNA（SCAR）开展了深入研究，发现脂肪酸导致ER stress诱导CHOP，CHOP抑制PGC1a，而后者调控SCAR表达，因此脂质导致SCAR减少。SCAR在线粒体内通过结合mPTP的亚基ATP5B而阻止其开放，抑制线粒体ROS和成纤维细胞活化。他们发现的这个SCAR介导的线粒体调控通路对于理解NASH发病过程中肝脏的纤维化有重要意义。这个通路在肝实质细胞、星状细胞和免疫细胞等的作用，以及对NAFLD/NASH进程的贡献，也值得未来深入研究。该工作的另一个突出特点的靶向线粒体的纳米颗粒递送技术，这有可能成为新的治疗手段。总之，该文章针对重要的临床问题开展原创研究，无论作用机制还是应用治疗都做了大量深入细致的工作，将NAFLD/NASH的研究提升到了新的高度。

专家点评

陈玲玲（中国科学院生物化学与细胞生物学研究所，研究员）

近年来，研究发现生物体中稳定存在众多共价闭环的单链RNA，称为环形RNA(ciruclar RNA)，它们以多种不同的作用机制参与神经、肿瘤和天然免疫调控等重要生物学过程。中山大学苏士成及其合作团队2020年9月14日在Cell杂志上发表的论文，通过环形RNA芯片分析，首次发现非酒精性脂肪性肝炎(NASH)患者原代肝成纤维细胞中环形RNA的表达量相对于健康人体内较低，且下调的环形RNA中有近40%是线粒体基因组转录产生的环形RNA。已知线粒体基因组来源的环形RNA在整个基因组中所占比例不到0.1%，这一发现提示肝成纤维细胞中线粒体来源的的环形RNA与非酒精性脂肪性肝炎(NASH)的发生发展相关。非酒精性脂肪性肝炎主要特征为肝细胞大泡性脂肪变伴肝细胞损伤和炎症，严重者可发展为肝硬化。苏士成合作团队通过构建靶向线粒体的环形RNA的纳米颗粒导入系统，实现了在体内干预线粒体定位的环形RNA SCAR的表达，首次揭示了该环形RNA通过结合mPTP复合物中ATP合酶的亚基ATP5B在代谢性炎症中发挥重要功能。这一工作不仅为靶向线粒体定位非编码RNA的研究提供新的助力，也为靶向线粒体定位的环形RNA SCAR作为代谢性免疫疾病分子标志物及后续治疗代谢性免疫疾病提供了崭新思路。此外，该团队鉴定到环形RNA SCAR在正常人体内的肝成纤维细胞中的高表达(每个细胞中约为1000个拷贝数)以及SCAR中100-182nt形成稳定茎环结构从而结合ATP5B，这些细致的研究也提示高表达的和具有特定结构的环形RNA可能更倾向于具有生物学功能。期待未来通过研究手段的不断发展，在分子机制和病理关联等方面解析更多环形RNA的功能。

专家点评

刘兴国（中国科学院广州生物医药与健康研究院 研究员）

线粒体RNA研究的“倚天屠龙剑”

线粒体是真核细胞中的重要细胞器，拥有一套母系遗传的基因组，可以转录独立的RNA组。然而，线粒体存在外膜和内膜双层膜，每层膜的磷脂双分子层，如同“飞起玉龙三百万”的昆仑难以跨越，既往一直缺乏线粒体RNA的导入系统而无法研究其功能。“安得倚天抽宝剑”？是的，中山大学苏士成合作团队创造性的采用一个线粒体靶向的纳米颗粒导入系统，实现了线粒体RNA研究的“倚天屠龙剑”。

该团队将线粒体环状RNA导入到线粒体基质进行表达，并利用该系统研究线粒体环状RNA在非酒精性脂肪性肝炎（NASH）中的作用及机制。发现线粒体的一类环状RNA SCAR可以显著抑制活性氧ROS的生成和释放、成纤维细胞的激活、和炎症因子的产生等代谢炎症表型。该研究进一步利用这个系统，在高脂饮食动物模型中发现SCAR可以减轻高脂负荷导致的代谢炎症表型、肝纤维化表型和胰岛素抵抗。该文章实现在体内、体外干预线粒体定位环状RNA，为靶向线粒体信号治疗代谢性免疫疾病提供了全新思路，为该疾病的临床治疗提供了全新方案。

参考文献

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来源：BioArt

1980-2020

原标题：《【学术前沿】专家点评|苏士成/高志良/许小丁合作揭示线粒体定位circRNA调控肝脏免疫代谢性炎症机制》

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