撰文 | 望夜
辅酶Q，又称泛醌或CoQ，是一种具有氧化还原活性的脂类，由苯醌环和多戊二烯尾组成，后者的长度因物种而异，在人中含有10个异戊二烯单元，而小鼠中为9个。CoQ在线粒体内膜（IM）中合成，作为电子载体在呼吸链复合体I、II、III间穿梭【1】。CoQ还是IM中多种脱氢酶和氧化还原酶的辅因子，影响嘧啶合成、脂肪酸氧化、硫化物氧化等多种过程【2】。此外，CoQ还存在非线粒体相关功能，如作为亲脂性抗氧化剂、保护细胞免于铁死亡【3】等。但CoQ经线粒体合成后如何实现胞内分布的机制目前尚不清楚。
线粒体中的菱形蛋白酶RAPL的缺失会导致呼吸链复合体III缺失及Leigh样综合征，并伴有CoQ缺乏，研究表明PARL可直接调节CoQ的积累【4】。PARL还可切割磷脂酰胆碱（PC）转移蛋白STARD7，使后者可在胞浆和线粒体膜间隙（IMS）分配【5】。线粒体中的STARD7转运PC跨过IMS对维持呼吸和嵴形态十分重要，但胞浆中STARD7的作用尚不清楚。
2023年1月19日，德国马普衰老生物学研究所的Patrick Giavalisco 和Thomas Langer 课题组在Nature Cell Biology杂志发表研究文章Mitochondria regulate intracellular coenzyme Q transport and ferroptotic resistance via STARD7，报道PARL通过STARD7调节CoQ合成和分布的机制，发现胞浆中的STARD7是CoQ转运至细胞膜并保护细胞免于铁死亡是必需的。
作者首先通过蛋白质组发现，当PARL缺失时小鼠脑中多种参与CoQ合成的蛋白表达下降，多戊二烯长度不同的CoQ10和CoQ9水平也降低。同位素追踪显示PARL缺失影响CoQ合成，重新表达PARL可重建合成水平，表明CoQ合成依赖PARL介导的蛋白酶切。进一步实验表明PARL的底物基因STARD7敲除后，表型类似PARL敲除。由于STARD7存在胞浆和IMS两种状态，作者通过表达不同变体确认，影响CoQ水平的是线粒体型而非胞浆型STARD7，且维持CoQ水平需要其PC转运活性。
由于FSP1-CoQ通路可抑制铁死亡【3】，作者推测CoQ合成水平降低或可增加细胞对铁死亡的敏感性。癌症治疗响应数据库（CTRP）显示，PARL和STARD7的表达与癌细胞对GPX4抑制剂正相关，后者也是一种铁死亡抑制剂，因此PARL可能通过STARD7对抗铁死亡。随后通过实验证实，PARL和STARD7均可抑制GPX4从而保护细胞免于铁死亡。
接着，作者测试并确认敲除STARD7后细胞对铁死亡的易感性并非单纯源于CoQ合成受影响，而是STARD7可以同时定位于胞浆和IMS。尤其是胞浆中的STARD7，当其过表达时可显著提升细胞存活，因其表达水平可限制不同刺激导致的铁死亡，即胞浆中的STARD7是一种铁死亡抑制子。由于胞浆中STARD7的作用独立于GPX4，作者推测其可能通过促进CoQ由线粒体到细胞膜的运输，增加CoQ水平的方式实现对铁死亡的抑制作用。作者首先通过抑制实验确认，胞浆中的STARD7是通过细胞膜上的FSP1-CoQ通路保护细胞免受铁死亡。而后通过细胞分级分离实验检测CoQ水平，发现约90%的CoQ10和CoQ9位于线粒体膜上。当STARD7缺失时，线粒体和细胞膜上的CoQ水平降低；表达线粒体型STARD7仅可重建线粒体中的CoQ水平；而表达胞浆型STARD7不会改变两处膜上的CoQ水平。因此，线粒体中的STARD7用于维持CoQ的合成，而胞浆中的STARD7主要用于维持细胞膜上的CoQ水平，促进CoQ由线粒体向细胞膜转移。
那STARD7是否直接作用于CoQ呢？作者在体外检测纯化的STARD7与CoQ的结合能力，质谱检测确认STARD7可以将CoQ4从脂质体中抽提出来，而无法抽提疏水性变体CoQ9和CoQ10。竞争实验显示，CoQ4可竞争PC与STARD7的结合。
最后，作者希望探讨过表达胞浆中STARD7对线粒体功能的影响，发现当葡萄糖存在时，过表达胞浆型STARD7对细胞生长无影响，对氧气消耗和ATP产生的影响也十分有限；而当以半乳糖为碳源时，过表达胞浆型STARD7会显著降低细胞的基础和最大呼吸水平及ATP产生，尽管对CoQ合成无影响。这一观察凸显出调节细胞不同区间中STARD7积累量的重要性。
回顾全文，作者发现脂质转运蛋白STARD7对线粒体中CoQ合成及其运输至细胞膜都是必需的。斜切蛋白酶PARL的切割保证STARD7可同时存在于线粒体膜间隙和胞浆中。线粒体中的STARD7保障CoQ合成、氧化磷酸化功能和嵴形态发生；胞浆中的STARD7负责将CoQ转运至细胞膜并阻止铁氧化，且其结合CoQ变体的位点与磷脂酰胆碱存在竞争。过表达胞浆中的STARD7增加细胞对铁死亡的抗性，但会限制线粒体中CoQ的含量和细胞呼吸生长。本研究表明细胞需要通过PARL介导的STARD7加工协调CoQ合成与胞内分布，上述两种蛋白有望成为铁死亡的干预靶点。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41556-022-01071-y
参考文献
1. Banerjee, R., et al. The mitochondrial coenzyme Q junction and complex III: biochemistry and pathophysiology. FEBS J. (2021).
2. Pallotti, F. et al. The roles of coenzyme Q in disease: direct and indirect involvement in cellular functions. Int. J. Mol. Sci. 23, p128 (2021).
3. Bersuker, K. et al. The CoQ oxidoreductase FSP1 acts parallel to GPX4 to inhibit ferroptosis. Nature 575, 688–692 (2019).
4. Spinazzi, M. et al. PARL deficiency in mouse causes Complex III defects, coenzyme Q depletion, and Leigh-like syndrome. Proc. Natl Acad. Sci. USA 116, 277–286 (2019).
5. Saita, S. et al. PARL partitions the lipid transfer protein STARD7 between the cytosol and mitochondria. EMBO J.37, e97909 (2018).
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