Arf1调控脂肪酸代谢及线粒体稳态
线粒体作为能量代谢中心，通过脂肪酸β-氧化进行的脂质动员是营养短缺时能量生产所必需的一个中心过程。在酵母中，这种分解代谢过程始于过氧化物酶体，从β氧化产物进入线粒体并为三羧酸循环提供燃料。我们对这些细胞器之间的物理和代谢合作知之甚少。
Arf1是高尔基体中囊泡形成的主要调节因子，其活性受到ArfGAP（GTP酶激活蛋白）和ArfGEF（鸟苷酸交换因子）的调控，分别刺激GTP水解和GDP到GTP的交换。近年来还发现Arf1能够调节信使RNA运输、mTORC1活性以及线粒体动力学和运输。Arf1/COPI（衣壳蛋白复合物1）信号也被认为参与脂质代谢，调控脂解、脂滴形态、蛋白质招募、磷脂的去除以及内质网与脂滴之间的桥梁形成。此外，Arf1和COPI可能会被招募到过氧化物酶体上，而Arf1也潜在参与了过氧化物酶体的增殖。然而，关于Arf1在过氧化物酶体和脂肪酸代谢中的功能，以及Arf1是如何特异性地调节线粒体动态变化的，仍然不清楚。
2023年7月3日，巴塞尔大学Anne Spang实验室在Nature Cell Biology杂志发表了题为Arf1 coordinates fatty acid metabolism and mitochondrial homeostasis 的研究文章，发现在表达小GTPase Arf1的高活性突变体的细胞中，脂肪酸转运体和参与β-氧化的限速酶的表达减少，导致脂肪酸在脂滴中积累。因此，线粒体碎片化，ATP合成减少。本研究揭示了Arf1通过影响脂肪酸的储存和利用以及细胞器间的接触和互作，调控脂肪酸代谢及线粒体能量稳态。
作者首先构建了酵母arf1（yarf1）的温度敏感型突变体yarf1-11，发现23°C下yarf1-11细胞中的线粒体融合和分裂活性均高于野生型，但37°C下融合和分裂频率降低，表明yraf1参与了线粒体融合和分裂的调控过程，且进一步证明yArf1在GTP和GDP结合状态之间循环对于维持线粒体稳态的潜在重要性。由于yarf1-11的三个突变中有两个位于GTP结合域内或接近GTP结合域，因此作者进一步探究了GTP的结合对yArf1-11的功能的影响，发现yArf1-11在23°C时已处于活性激活构象，温度变化并不会影响GTP的结合，因此yarf1-11是一种功能获得型突变体。此外，作者发现与定位于高尔基体的野生型yarf1不同，yarf1-11在23°C下主要定位于内质网，在37°C下主要定位于脂滴，而脂滴定位的yarf1会诱导线粒体片段化。
由于Arf1也在哺乳动物细胞的线粒体稳态维持中发挥作用，作者因此探究了arf1-11的定位和功能在哺乳动物细胞中是否同样保守。结果表明，哺乳动物Arf1突变（marf1-11）会降低细胞存活力，marf1-11同样主要定位于脂滴，且与酵母arf1-11类似，arf1-11突变在哺乳动物中表现出功能上的保守性。不仅如此，arf1-11突变还会导致TAG（甘油三酯）含量上升，脂滴数量增多，可见Arf1具有直接或间接调节TAG合成和代谢、过氧化物酶体活性以及由此进入线粒体的FA流量和脂肪酸β氧化的功能。而限制FA进入线粒体的流量或抑制脂肪酸β氧化会导致线粒体功能受损，形态异常。脂滴定位的Arf1能够负向调节脂滴中的FA流出，从而影响形态异常线粒体的比例。在37°C下，yarf1-11突变会导致脂肪酸β-氧化受损，因此乙酰辅酶A无法转移到线粒体，最终导致线粒体片段化。
目前已知线粒体片段化是细胞应对内部或外部胁迫（如氧化应激、ATP合成受阻、线粒体膜电位丧失等）的常见方式，而作者在此发现yarf1-11突变会通过诱导线粒体呼吸效率降低而抑制ATP合成。在哺乳动物细胞中，作者同样发现Arf1-11突变导致的脂滴中TAG的过度积累是FA流受抑制及乙酰辅酶A转移至线粒体受阻所导致的，这最终会诱发线粒体能量合成活性降低，直至线粒体片段化。
综上所述，本研究利用酵母模型和哺乳动物细胞模型，探明了Arf1定位于线粒体融合/裂变位点，是线粒体分裂/融合过程的关键调控因子，不仅如此，Arf1还能够通过控制FA和其他代谢物从脂滴到过氧化物酶体/线粒体的转运和流量来调节线粒体呼吸链和能量代谢，最终影响细胞死亡。
Enkler, L. et al. Arf1 coordinates fatty acid metabolism and mitochondrial homeostasis. Nature Cell Biology 25, 1157-1172, doi:10.1038/s41556-023-01180-2 (2023).
撰写人：张予/张潇逸