Митохондриальная интегрированная реакция на стресс контролирует судьбу эпителиальных клеток легких

Nature, том 620, страницы 890–897 (2023 г.) Процитировать эту статью

16 тысяч доступов

99 Альтметрика

Подробности о метриках

Клетки альвеолярного эпителия 1 типа (АТ1) необходимы для переноса кислорода и углекислого газа между кровью и воздухом. Клетки альвеолярного эпителия типа 2 (АТ2) служат частично детерминированной популяцией стволовых клеток, продуцирующей клетки АТ1 во время постнатального альвеолярного развития и восстановления после гриппа А и пневмонии, вызванной SARS-CoV-21,2,3,4,5,6. Мало что известно о метаболической регуляции судьбы эпителиальных клеток легких. Здесь мы сообщаем, что удаление субъединицы Ndufs2 митохондриального комплекса цепи переноса электронов I в эпителиальных клетках легких во время беременности мышей приводило к смерти во время постнатального альвеолярного развития. У пораженных мышей наблюдались гипертрофические клетки с признаками клеток AT2 и AT1, известные как переходные клетки. Митохондриальный комплекс I млекопитающих, состоящий из 45 субъединиц, регенерирует НАД+ и перекачивает протоны. Условная экспрессия дрожжевого белка НАДН-дегидрогеназы (NDI1), который регенерирует НАД+ без перекачки протонов7,8, оказалась достаточной для коррекции аномального развития альвеол и предотвращения летальности. Секвенирование одноклеточной РНК выявило обогащение генов интегрированного ответа на стресс (ISR) в переходных клетках. Введение ингибитора ISR9,10 или предшественника NAD+ снижало сигнатуры гена ISR в эпителиальных клетках и частично снижало летальность при отсутствии функции митохондриального комплекса I. Примечательно, что специфичная для эпителия легких потеря субъединицы II комплекса митохондриальной цепи переноса электронов Sdhd, которая поддерживает регенерацию NAD+, не вызывает высокую активацию ISR или летальность. Эти данные подчеркивают непредвиденную потребность в митохондриальном комплексе I-зависимой регенерации NAD+ для управления судьбой клеток во время постнатального альвеолярного развития путем предотвращения патологической индукции ISR.

Во время развития легких млекопитающих легкие проходят через морфологически различные стадии развития, характеризующиеся прогрессивной вовлеченностью предшественников дыхательных путей и альвеолярного эпителия в судьбы зрелых клеток11. В то время как проводящие дыхательные пути развиваются пренатально во время морфогенеза ветвления, развитие альвеол начинается перинатально, но является неполным при рождении, продолжаясь в течение четырех-пяти недель у мышей и по крайней мере трех лет у людей. Хотя многие молекулярные и транскрипционные сигналы, необходимые для развития легких, были выяснены11,12, механизмы, с помощью которых метаболические сигналы могут управлять этими процессами, остаются неизвестными.

Развитие всех органов характеризуется ранней зависимостью от гликолиза, который постепенно смещается в сторону окислительного фосфорилирования при поддержке окисления жирных кислот13. В соответствии с этой парадигмой эпителий легких экспрессирует высокие уровни гликолитических генов во время эмбрионального развития с повышенной экспрессией генов, участвующих в окислительном фосфорилировании на более поздних постнатальных стадиях14 (Extended Data Fig. 1a,b). Мы стремились определить, необходима ли функциональная митохондриальная цепь переноса электронов (ETC) для развития легких путем удаления субъединицы митохондриального комплекса I НАДН-дегидрогеназы (убихинон) железо-серного белка 2 (Ndufs2) в дистальном эпителии легких во время развития. Мы скрестили мышей сурфактантного белка C-Cre (SFTPC-Cre)15 с мышами Ndufs2fl/-16 и мышами Cre-репортером (ROSA26SorCAG-tdTomato), которые в дальнейшем называются мышами с условным нокаутом NDUFS2 (cKO) (Ndufs2fl/-SFTPC-Cre). ;ROSA26SorCAG-tdTomato). Поскольку Sftpc экспрессируется в общих предшественниках дистального эпителия легких на эмбриональный день (E) 10,5 у мышей, гены, несущие аллели floxed (Ndufs2) и кассету loxP-STOP-loxP (tdTomato), удаляются и экспрессируются, соответственно, в дистальных эпителиальных клетках легких. популяции (клубные клетки, клетки альвеолярного эпителия типа 2 (АТ2) и клетки альвеолярного эпителия типа 1 (АТ1)) у этих животных после Cre-опосредованной рекомбинации15.

NDUFS2 представляет собой ядерно-кодируемую основную субъединицу митохондриального комплекса I, которая необходима для его ферментативной активности. Истощение NDUFS2 вызывает дефицит митохондриального комплекса I (рис. 1a), а его глобальное истощение приводит к эмбриональной летальности17. Мыши NDUFS2 cKO были жизнеспособны, несмотря на снижение содержания белка NDUFS2 (рис. 1b) и снижение базальной и связанной скорости потребления кислорода (OCR) в эпителиальных клетках легких (рис. 1c) по сравнению с мышами Ndufs2+/-SFTPC-Cre;ROSA26SorCAG-tdTomato. (далее называемые контрольными мышами NDUFS2). Ранее мы сообщали, что развитие легких и старение на двух годах жизни у мышей Ndufs+/- аналогично тому, что наблюдается у мышей дикого типа17. У мышей NDUFS2 cKO наблюдалось снижение постнатального прироста веса, и они умерли через пять-девять недель после рождения (в среднем 7 неделя) (рис. 1d,e и расширенные данные, рис. 1c,d).