《Mitochondrion》：Mitochondrial iron overload is associated with lysosomal dysfunction-mediated mitophagy impairment in the heart of Friedreich’s ataxia
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线粒体铁过载通过mTOR-TFEB轴介导自噬功能障碍导致FRDA心肌病，心脏特异性frataxin KO小鼠模型显示心肌肥厚伴线粒体铁沉积、结构异常及呼吸抑制，尽管氧化应激未升高，但p62/Parkin蛋白异常累积揭示mitophagy缺陷，且mTOR过度激活抑制溶酶体生成功能。
尹斌·Jee | 马伊莎·梅达 | 白惠永 | 金正汉 | 金裕浩
美国马萨诸塞大学洛厄尔分校生物医学与营养科学系，马萨诸塞州洛厄尔
摘要
弗里德赖希共济失调（FRDA）是一种由frataxin蛋白缺乏引起的罕见疾病，frataxin是一种对铁硫簇组装和铁稳态至关重要的线粒体蛋白。除了神经系统症状外，心脏功能障碍也很常见，是FRDA导致早死的主要原因之一。尽管铁过载被认为是FRDA相关心肌病的主要因素，但其潜在机制仍不清楚。通过使用心脏特异性的frataxin缺乏小鼠，我们观察到FRDA相关的心脏肥大伴随着线粒体铁过载。透射电子显微镜（TEM）显示心脏线粒体内存在铁聚集物，其超微结构发生了严重改变。除了铁沉积和结构异常外，尽管没有氧化应激的增加，FRDA小鼠的心脏线粒体呼吸功能明显受损。值得注意的是，尽管线粒体生物发生增强，但受损或功能失调的线粒体清除（即线粒体自噬）过程受到干扰，这表现为p62和Parkin蛋白的过度积累。在线粒体更新过程中起核心作用的溶酶体系统似乎通过mTOR-TFEB轴发生失调。mTOR的过度激活抑制了溶酶体的生物发生和功能，尽管溶酶体内容物保持不变。总体而言，我们的研究提供了关于线粒体铁聚集物在FRDA相关心肌病发病机制中的作用的机制见解，并提示溶酶体功能障碍可能在心脏frataxin缺乏的情况下对线粒体质量控制产生负面影响。
引言
弗里德赖希共济失调（FRDA）是一种由frataxin缺乏引起的罕见遗传性疾病，frataxin是一种对铁硫簇（ISC）的调节至关重要的线粒体蛋白，而铁硫簇对线粒体功能至关重要（Martelli和Puccio，2014；Clark，2018）。研究表明，frataxin缺乏会导致铁积累和线粒体功能障碍，进而引发心肌病，这是FRDA患者早死的主要原因（Huang，2009；Whitnall，2008；Payne，2011）。然而，frataxin缺乏与铁过载和心脏功能障碍之间的联系机制尚未完全明了。
在生理条件下，线粒体数量的控制（线粒体生物发生）与线粒体质量控制（线粒体自噬）紧密协调，以维持健康的线粒体池（Liu，2023；Palikaras等人，2018），以及心脏收缩力等器官功能（Ravindran和Gustafsson，2025）。然而，在病理状态下，这种平衡被打破；受损或功能失调的线粒体无法有效降解，反而会积累，从而加剧疾病进展（Xu，2024；Kubli，2013；Wallace等人，2020）。越来越多的研究探讨了线粒体生物发生和更新系统在FRDA发病机制中的作用（Lin，2017；Lynch和Farmer，2021；Vicente-Acosta，2022），但它们对心脏症状的具体贡献仍不完全清楚。此外，虽然铁稳态对线粒体氧化能力和氧化还原平衡至关重要（Chen，2023；Walter，2002），但这一点尚未得到充分关注，因此在理解铁过载及其对FRDA相关心肌病发展的机制影响方面存在显著空白。
由于溶酶体参与吞噬成分和线粒体的自噬降解（Saftig和Klumperman，2009），它们的功能能力对于维持线粒体的质量和数量至关重要。此外，由于溶酶体在线粒体铁稳态中起着关键作用（Rizzollo，2021；Weber，2020），我们推测在frataxin缺乏的情况下，过量的铁积累可能会损害溶酶体的功能。这引发了关于溶酶体功能障碍是否以及如何在线粒体frataxin缺乏的情况下促进铁积累的重要问题。在这项研究中，我们使用了一种心脏特异性的frataxin缺乏小鼠模型来表征FRDA小鼠心脏中的线粒体铁状态及其对线粒体稳态的影响。此外，我们还研究了线粒体铁状态如何影响FRDA小鼠的溶酶体功能，旨在解答铁过载如何导致线粒体功能障碍并促进心脏病理发展的长期问题。
章节摘录
动物
我们使用了大约10周大的雄性心脏特异性frataxin敲除（KO）小鼠模型。所有动物均购自Jackson实验室（#029720；
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em2.1Lutzy Tg(Ckmm-cre)5Khn/J；
FRDA）。作为对照（
CON）动物，使用了年龄匹配的雄性C57BL/6J小鼠（#000664），因为它们的遗传背景与FRDA小鼠相同。所有动物都饲养在温度和湿度受控的环境中，具有12小时的光暗周期，并可以自由摄取标准饲料。
心脏特异性frataxin敲除小鼠的表型特征显示心脏肥大和线粒体功能障碍，且与氧化应激无关
我们首先对心脏特异性frataxin KO小鼠进行了表征，并确认了心脏中的frataxin缺乏（图1A），但肝脏中未发现frataxin缺乏（补充图S1A）。FRDA小鼠在8周时开始出现体重下降和虚弱（补充图S1B），并在12周前死亡（补充图S1C）。与CON小鼠相比，大约10周大的FRDA小鼠心脏增大（图1A），心身比增加（补充图S1E），并且心房利钠肽（ANP）水平升高。
讨论
尽管在FRDA中一直报告有线粒体铁积累（Whitnall，2008；Huang，2013；Michael，2006；Koeppen，2015；Lamarche等人，1980），但线粒体铁过载如何在frataxin缺乏的情况下导致心脏功能障碍的具体机制尚不完全清楚。为了解决这个问题，我们使用了一种心脏特异性的FRDA小鼠模型，该模型再现了FRDA的心脏症状（Puccio，2001；Huang，2013；Chang，2024；Perfitt，2024）。
CRediT作者贡献声明
尹斌·Jee：写作 – 审稿与编辑，撰写初稿，数据可视化，验证，方法学设计，实验研究，数据分析，数据管理。马伊莎·梅达：实验研究，数据分析。白惠永：资源获取，实验研究，数据分析。金正汉：写作 – 审稿与编辑，撰写初稿，验证，项目监督，资金申请，概念构思。金裕浩：写作 – 审稿与编辑，撰写初稿，验证。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究部分得到了国防部（HT94252410009（Y.K.，J.K.）、国立卫生研究院（HL166541（J.K.）以及马萨诸塞大学洛厄尔分校种子基金（Y.K.，J.K.）的支持。
本研究的电子显微镜分析工作得到了马萨诸塞大学Chan医学院电子显微镜核心设施的支持，该设施获得了国立卫生研究院的资助（S10 OD025113-01）。我们感谢Gregory Hendricks博士和Keith Reddig先生的技术支持。
