Cell Rep：田烨团队揭示蛋白二硫键异构酶 PDI-6 调控跨组织线粒体应激反应和寿命的分子机制

神经系统在感知并且协调机体的胁迫响应和衰老过程中起着关键作用。当神经细胞的线粒体受到胁迫时，通过释放神经分泌信号诱导肠道细胞中的线粒体应激反应，进而协调机体整体的压力适应，并在某些情况下可以诱导长寿。

2022 年 6 月 7 日，中国科学院遗传与发育生物学研究所田烨课题组在 Cell Reports 杂志在线发表题为 Protein disulfide isomerase PDI-6 regulates Wnt secretion to coordinate inter-tissue UPRmt activation and lifespan extension in C. elegans 的研究论文。

该研究揭示了一个位于内质网中的蛋白质二硫键异构酶 PDI-6 通过调控 Wnt 蛋白的稳定性与分泌，介导神经到肠道的跨组织线粒体未折叠蛋白反应（Mitochondrial unfolded protein response, UPRmt）以及机体寿命调控的分子机制。

此前，田烨课题组发现一个经典的发育相关的信号分子 Wnt/EGL-20 介导跨组织 UPRmt 信号传递。课题组成员为了进一步探索跨组织线粒体应激信号的调控，利用在线虫神经系统过表达 Wnt/EGL-20 配体蛋白，诱导肠道细胞中参与 UPRmt 调控的转录因子 DVE-1::GFP 在肠道细胞核内累积的跨组织 UPRmt 信号交流模型进行遗传筛选，鉴定到一个编码蛋白二硫键异构酶的基因 pdi-6，特异性参与跨组织 UPRmt 信号传递而不参与跨组织的内质网以及细胞质应激反应。该筛选同时也鉴定到了一个核小体重塑与组蛋白去乙酰化 (Nucleosome remodeling and deacetylase, NuRD) 复合体组分 LIN-40，参与肠道细胞自主性的 UPRmt 调控。

研究者利用 CRISPR/Cas9 基因编辑获得多个 pdi-6 缺陷的突变体，发现 pdi-6 基因的完全敲除是致死的，因此研究者利用多个 pdi-6 小片段缺失的突变体进行研究。研究者在 pdi-6 突变体中通过组织特异性表达的启动子驱动 PDI-6 的表达，发现在肠道组织中回补 PDI-6 并不能挽救 UPRmt 的表型，而在神经组织以及 Wnt/EGL-20 表达的细胞中回补 PDI-6 可以很好地挽救 UPRmt 表型。PDI-6 是蛋白二硫键异构酶 (Protein disulfide isomerase, PDI) 家族中的一员，PDI 是一类位于内质网中的酶，其主要功能是催化新生肽链上二硫键的形成、断裂以及重排。而 Wnt 蛋白作为一类经典的分泌蛋白，参与许多重要的发育过程，Wnt 蛋白上的二硫键对于其结构稳定性以及活性至关重要。

通过检测线虫中 Wnt/EGL-20 的表达以及分泌水平，发现在成年时期， Wnt/EGL-20 的蛋白质水平以及分泌水平在 pdi-6 突变体中显著下降。研究者推测 pdi-6 突变体中 Wnt/EGL-20 蛋白水平的下降可能是由于其二硫键不能够正确形成因而被内质网中的蛋白质质量控制途径降解了。进一步实验观察发现 pdi-6 突变体导致的 Wnt/EGL-20 蛋白质水平的下降确实依赖内质网相关降解途径  (Endoplasmic reticulum-associated degradation, ERAD) 。

为了探究 PDI-6 调控 Wnt/EGL-20 的分子机制，研究者利用表达 PDI-6::GFP 和 EGL-20::mCherry 的线虫进行了体内的免疫共沉淀实验，发现当实验过程中不添加还原剂 DTT 时，PDI-6::GFP 和 EGL-20::mCherry 之间存在互作；而当实验过程中添加还原剂 DTT 时，PDI-6::GFP 和 EGL-20::mCherry 之间的互作减弱，说明二者之间的互作可能依赖于二硫键的形成。进一步，研究者构建了 PDI-6 的底物捕获形式变体以及二硫键催化活性缺失变体的表达载体，免疫共沉淀实验结果表明 PDI-6 的底物捕获形式变体与 Wnt/EGL-20 互作增强，而 PDI-6 的二硫键催化活性缺失变体与 Wnt/EGL-20 互作减弱，说明 PDI-6 与 Wnt/EGL-20 之间的互作依赖于二硫键连接。

在衰老过程中，PDI-6 与 Wnt/EGL-20 的蛋白水平逐渐降低，而且 pdi-6 突变体也表现出平均寿命缩短的表型。过表达 PDI-6 则可以维持衰老过程中 Wnt/EGL-20 的蛋白水平，并且以一种依赖于 Wnt/EGL-20 信号转导的方式激活肠道细胞的 UPRmt 并诱导寿命延长。而且，PDI-6 过表达诱导的长寿依赖于其二硫键催化活性、Wnt/EGL-20 信号以及 UPRmt 的激活。

综上所述，这项研究揭示了蛋白二硫键异构酶 PDI-6 通过调控 Wnt/EGL-20 分泌介导跨组织 UPRmt 信号传递的分子机制。该研究也进一步证明了 Wnt 信号在调控跨组织线粒体应激反应以及衰老中的重要作用，为靶向内质网以及线粒体蛋白质稳态平衡，延缓衰老以及治疗衰老相关疾病提供了新的思路和理论基础 .

中科院遗传发育所的博士生李心宇为该论文的第一作者，参与该工作的还有研究生李佳晟、朱頔、张宁、郝旭昇、张文峰、博士后张茜、博士后刘阳丽和副研究员邬雪影，田烨研究员为本论文的通讯作者。

原文链接：

https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(22)00713-6

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