线粒体呼吸链蛋白参与果蝇细胞凋亡调控的机制研究
批准号:
32100606
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
赵洋
依托单位:
学科分类:
细胞衰老、死亡及自噬
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
赵洋
中文摘要
细胞凋亡在生物体的免疫应答中起作用,同时也参与重要的发育过程。在植物害虫防控领域,通过探索凋亡途径中的重要调控蛋白,可为研究和开发新型农药提供理论基础。申请人前期工作中,构建了黑腹果蝇hid凋亡激活基因诱导的受四环素控制的胚胎致死系统,在去除四环素培养基上获得约万分之一的存活后代,大部分存活后代存在母系遗传现象。通过线粒体测序,发现一个共同基因突变位点,该基因参与编码呼吸链复合体Ⅰ的亚基蛋白,暂命名为DMN-1。本课题围绕新发现的DMN-1基因突变,通过线粒体编辑、DMN-1过表达等鉴定突变的DMN-1是否逆转凋亡发生;同时在转染DMN-1、hid等外源基因的S2细胞中测试一系列的细胞凋亡指征,包括ATP含量、活性氧含量、跨膜电位的改变、细胞色素C是否释放等,并结合转录组分析探索果蝇细胞凋亡的分子网络,揭示该突变基因在凋亡调控中的作用和调控方式。
英文摘要
Apoptosis plays an important role in the immune response of organisms, and also participates in important developmental processes. In the field of plant pest control, exploring the important regulatory proteins in apoptosis pathway can provide a theoretical basis for the research and development of new pesticides. In the previous work of the applicant, a tetracycline controlled embryonic death system induced by the hid gene of Drosophila melanogaster was constructed. About one in ten thousand surviving offspring were obtained on the tetracycline free medium, and most of the surviving offspring had maternal inheritance. Through mitochondrial sequencing, we found a common gene mutation, which is temporarily named DMN-1, which encodes the subunit protein of respiratory chain complex I. In this project, we will focus on the DMN-1 gene, identify whether DMN-1 could reverse apoptosis by mitochondrial gene editing and DMN-1 overexpression, and will tansfect S2 cells with DMN-1, hid and their combination, test ATP content, reactive oxygen species content, transmembrane potential changes, cytochrome c release, etc., and conduct transcriptome analysis to explore the molecular network of apoptosis, and to reveal the role of this mutated gene in the regulation of Drosophila apoptosis.
前期研究中利用hid为效应基因创建了果蝇四环素胚胎致死系统(DH-1)。以DH-1果蝇品系为父本、野生型白眼黑腹果蝇为母本大规模交配,筛选到存活F1代果蝇大多为母系遗传。通过高通量测序、果蝇线粒体组装及线粒体基因单核苷酸多态性(SNP)分析,发现存活后代线粒体基因ND5的同一位点发生了碱基突变(DMN-1),本研究对挖掘到的突变后的基因(DMN-1)在细胞和个体水平进行功能验证并分析其对凋亡的影响。研究结果表明,果蝇细胞中分别过表达DMN-1和hidALA5基因后,细胞的caspase-3酶活显著升高、早期凋亡率均显著上升、存活率均显著降低,且DMN-1和hidALA5同时过表达的细胞早期凋亡率最高存活率最低。相反,在果蝇个体中过表达DMN-1基因后,果蝇caspase-3酶活显著下降、群体生命周期显著延长、爬行能力显著提升、群体百只重显著增加以及在caspase凋亡促进剂的作用下存活率显著上升。而ND5基因RNAi沉默后的个体caspase-3酶活显著升高,在caspase凋亡促进剂的作用下存活率显著下降。凋亡相关间接指标测定显示,过表达DMN-1的细胞中ROS含量显著升高、ATP含量显著下降;过表达DMN-1的果蝇个体中ROS含量显著下降、ATP含量显著下降;ND5基因沉默的果蝇个体中ROS含量显著上升、ATP含量显著下降。反映呼吸链电子传递效率的指标为烟酰胺腺嘌呤二核苷酸与还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸的比值(NAD+/NADH值),该值在各组均显著下降,也指示通过呼吸链产生的ROS应该增多。推测过表达DMN-1果蝇品系中的ROS水平下降原因是ROS清除系统被增强。进一步对比各转化、沉默组转录组结果表明,过表达DMN-1的果蝇细胞中ROS清除相关通路被显著下调。而DMN-1在果蝇个体过表达增强了三羧酸循环、糖酵解/糖异生以及蔗糖和淀粉代谢,促进了磷酸戊糖途径,以及NADPH的生成和GST酶活,这两个指标直接参与ROS的清除,影响ROS的含量。受ROS含量调控的Bcl-2和IAPX等基因的表达量下调,这些基因能够影响caspase-3酶活和果蝇个体的凋亡。本研究结果为深入探究线粒体复合体I上的ND5亚基的突变型(DMN-1)对果蝇个体中caspase凋亡的调控机制提供理论基础,并为诱导昆虫死亡及开发绿色农药提供了候选基因。
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