DOI: https://doi.org/10.3390/cells15050395
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41827830
تاريخ النشر: 2026-02-24
المؤلف: Vítor Moreira وآخرون
الموضوع الرئيسي: الأمراض العصبية التنكسية الوراثية
نظرة عامة
تسلط الأبحاث الضوء على أن طفرة N88S في بروتين سيبين تعطل تقسيم الأسيتيل-CoA، مما يؤدي إلى استخدامه غير السليم في المسارات الميتوكوندرية ودورة الجليكولات. يعزز هذا التوجيه الخاطئ تكوين الدهون في السيتوسول ويزيد من الإجهاد التأكسدي، مما يساهم في دورة غير مجدية من تكوين الدهون والإجهاد التأكسدي التي تعزز خلل الخلايا في حالة N88S seipinopathy. تؤكد الدراسة على الترابط بين استقلاب الدهون والبروتين، كاشفة أن تراكم حمض الفوسفاتييد (PA) واضطراب استقلاب الإينوزيتول هما محور الفيزيولوجيا المرضية لهذه الحالة. لا تؤدي هذه الاختلالات الأيضية إلى زيادة إجهاد الشبكة الإندوبلازمية (ER) فحسب، بل تؤسس أيضًا حلقة تغذية راجعة تعزز الإجهاد التأكسدي من خلال الأسيتيل-CoA غير الموضع.
تشير النتائج إلى استراتيجيات علاجية جديدة تستهدف نقاط تحكم أيضية متعددة لعلاج السيبينوباثي والأمراض العصبية الحركية ذات الصلة. يمكن أن تشمل التدخلات تعزيز استخدام الأسيتيل-CoA الميتوكوندري، وتعزيز تخليق الفوسفوليبيد، وتحسين وظيفة البيروكسيسوم، والتي تبدو استجابة تعويضية بدلاً من كونها مجرد نتيجة للسمية الدهنية. من خلال معالجة هذه العيوب المترابطة، تهدف النهج المتعدد الأوجه المقترح إلى تعطيل الدورة الذاتية التعزيز لإجهاد الشبكة الإندوبلازمية، وأكسدة الدهون، وتوليد أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS)، مما يعيد في النهاية التوازن الأيضي وسلامة الخلايا في خلايا تعبر عن N88S seipin.
مقدمة
تعتبر قطرات الدهون (LDs) عضيات أساسية لتخزين الدهون المحايدة، وتعتبر تشكيلها الصحيح وتداولها أمرًا حيويًا للحفاظ على توازن الدهون الخلوي. ترتبط الاضطرابات في ديناميات LD بمختلف الأمراض الأيضية والعصبية التنكسية. بروتين رئيسي في تكوين LD هو سيبين، الذي يعد ضروريًا لتكوين ثلاثي الجليسريد وتبرعم LD. تؤدي الطفرات في بروتين سيبين البشري، مثل N88S وS90L، إلى أمراض عصبية حركية سائدة وراثيًا، تتميز بتدهور الخلايا العصبية الحركية والإجهاد الخلوي المرتبط بسبب الطي غير الصحيح واضطراب الجليكوزيل. كشفت الدراسات الحديثة التي استخدمت *Saccharomyces cerevisiae* عن الإجهاد التأكسدي كآلية مرضية هامة في N88S seipinopathy، مما يبرز التغيرات في استقلاب الفوسفوليبيد وتنظيم الحديد التي تساهم في السمية العصبية.
تشير الأبحاث إلى أن طفرة N88S تسبب تراكم حمض الفوسفاتييد وتعطل تخليق الفوسفوليبيد، بينما تعطل أيضًا توازن الحديد، مما يزيد من الضرر التأكسدي. تؤكد هذه الثنائية بين بروتينوباثي ودهونوباثي على التفاعل المعقد بين استقلاب الدهون المعيب وعدم توازن الحديد في تعزيز خلل الخلايا. علاوة على ذلك، تقترح الدراسة أن اضطراب البيروكسيسوم قد يساهم مباشرة في مسببات N88S seipinopathy، حيث يؤدي التوجيه الخاطئ للأسيتيل-CoA إلى دورة من تكوين الدهون الشاذ والإجهاد التأكسدي. تضع هذه النتائج تقسيم الأسيتيل-CoA المعيب كآلية مركزية تدفع علم الأمراض الخلوي المرتبط بهذه المرض، مما يوفر علامات حيوية محتملة وأهداف علاجية للتدخل.
طرق البحث
في هذه الدراسة، استخدم الباحثون سلالات مختلفة من *Saccharomyces cerevisiae*، المستمدة بشكل خاص من سلالة W303α الأبوية، للتحقيق في تعديلات الجينات من خلال تقنيات إعادة التركيب المتماثل المعتمدة على PCR القياسية. تم تصميم البرايمرات لهذه التعديلات باستخدام أداة Primers-4-Yeast بالتزامن مع مجموعة بلازميد pFA6. يتم سرد البلازميدات الرئيسية المستخدمة في التجارب في الجدول S2.
شملت عمليات الاستنساخ دمج محفز ADH1 وتسلسلات النهاية مع إطار القراءة المفتوح (ORF) لـ MPC1 ومتغيرات جين CAT2 في متجه pRS315-UPRE-LacZ. تم تضخيم ORF لـ MPC1 من الحمض النووي الجينومي BY4741 وإدخاله في المتجه بعد الهضم باستخدام ClaI وNheI، بينما تم دمج CAT2، الذي يشفر بروتين سلف ميتوكوندري مع إشارات استهداف ميتوكوندرية وبيوركسيسومية، بشكل مشابه. تم إنشاء بناء معدل، pRS315-UPRE-LacZ-ADH1pr-CAT2cyt-ADHt، عن طريق حذف إشارة الاستهداف البيروكسيسومية وأول 22 حمض أميني من CAT2، مما أدى إلى بروتين موضعي في كل من البيروكسيسومات والسيتوسول، يسمى CAT2 السيتوزولي (CAT2cyt). بالإضافة إلى ذلك، تم مراقبة تعبير CIT2-LacZ باستخدام جين تقرير تم دمجه في موضع CIT2. تم تأكيد جميع البنى من خلال التسلسل أو PCR، وتم تحويل السلالات باستخدام طريقة الأسيتات الليثيوم القياسية.
النتائج
في هذه الدراسة، تم استخدام نموذج خميرة لمرض N88S المرتبط بالسيبين، تم بناؤه في خلفية نقص السيبين (sei1Δ ldb16Δ) مع تعبير بروتين السيبين البشري البري (WT) وطفرة N88S كإضافات لبروتين الفلورسنت فينوس. تم إجراء تحليل بروتيني كمي غير مستهدف باستخدام مطياف الكتلة لتقييم اختلافات وفرة البروتين بين خلايا WT وN88S. كشفت تحليل علم الأحياء الجيني (GO) للبروتينات المعبر عنها بشكل مختلف (DEPs) عن إثراء كبير في المسارات المتعلقة بدورة حمض الكربوكسيليك الثلاثي (TCA) (GO:0006099؛ قيمة p = 5.34 × 10^-8)، عمليات الأيض للأحماض الدهنية (GO:0006631؛ قيمة p = 1.29 × 10^-5)، استقلاب الأحماض الكربوكسيلية (GO:0019752؛ قيمة p = 2.17 × 10^-6)، ودورة الجليكولات (GO:0006097؛ قيمة p = 2.49 × 10^-6).
تشير هذه النتائج إلى أن وظيفة البيروكسيسومات تتعرض للخطر في خلايا تعبر عن N88S seipin، مما قد يؤدي إلى اضطرابات في استقلاب الدهون وتدفق الأيض. قد تسهم التغيرات الملحوظة في هذه المسارات الأيضية في الفيزيولوجيا المرضية المرتبطة بـ N88S seipinopathy، مما يبرز الدور الحاسم لوظيفة البيروكسيسوم في الحفاظ على توازن الطاقة الخلوية.
مناقشة
في هذه الدراسة، بحث المؤلفون في العلاقة بين ديناميات البيروكسيسوم وتكوين أجسام الإدراج (IBs) في خلايا الخميرة التي تعبر عن طفرة N88S في السيبين. وجدوا أن خلايا تعبر عن N88S seipin أظهرت عددًا متزايدًا من البيروكسيسومات مقارنة بالخلايا البرية (WT)، على الرغم من أن شكلها ظل دون تغيير. من الجدير بالذكر أن غياب البيروكسيسومات الوظيفية زاد بشكل كبير من تكوين IB، مما يشير إلى رابط أيضي بين البيروكسيسومات وتوليد IB. علاوة على ذلك، أشارت تحليلات Western blot إلى مستويات مرتفعة من بروتينات البيروكسيسوم Pex5p وPot1p في خلايا N88S، مما يدعم الفكرة القائلة بأن البيروكسيسومات وظيفية وتساهم في العمليات الأيضية في هذه الخلايا الطافرة.
كما كشفت الدراسة أن نقص البيروكسيسوم أدى إلى زيادة إنتاج أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) واضطراب توازن الأكسدة دون تحفيز إجهاد الشبكة الإندوبلازمية (ER). على وجه التحديد، أدى حذف جين PEX3 إلى زيادة بنسبة 75% في مستويات ROS في خلايا N88S، بينما ظلت خلايا WT غير متأثرة. يشير هذا إلى أن البيروكسيسومات تلعب دورًا حاسمًا في إدارة الإجهاد التأكسدي والحفاظ على التوازن الخلوي. بالإضافة إلى ذلك، لاحظ المؤلفون أن خلايا N88S كانت تعاني من ضعف في تنشيط دورة الجليكولات، والتي تعتبر ضرورية للتكيف الأيضي خلال ظروف الإجهاد. بشكل عام، تسلط النتائج الضوء على أهمية وظيفة البيروكسيسوم في تنظيم تكوين IB، والإجهاد التأكسدي، والمرونة الأيضية في سياق N88S seipinopathy.
القيود
تسلط القيود المفروضة على النموذج الذي تم مناقشته في هذا البحث الضوء على الطبيعة الخاصة بدورة الجليكولات في الخميرة، مع التأكيد على أن التركيز الرئيسي هو على تنظيم تقسيم الأسيتيل-CoA والتواصل الأيضي بين العضيات، والتي يتم الحفاظ عليها عبر الأنواع. تكشف الدراسة أن التوزيع الصحيح للأسيتيل-CoA بين البيروكسيسومات والميتوكوندريا والسيتوسول أمر حيوي للحفاظ على توازن الأكسدة والدهون. في الخلايا العصبية الثديية، على الرغم من غياب تحويل الجليكولات، فإن النقل الفعال للأسيتيل-CoA ضروري لمنع تراكمه في السيتوسول والاختلالات المرتبطة بتخليق الدهون، والتي ترتبط بالاضطرابات العصبية التنكسية.
تشير النتائج إلى أن طفرة N88S في السيبين تعطل التوازن بين الاستخدام التأكسدي والانحراف الدهني للأسيتيل-CoA، مما يؤدي إلى إجهاد تأكسدي مدفوع بالدهون ووظيفة غير طبيعية للشبكة الإندوبلازمية (ER) – عوامل رئيسية في التنكس العصبي. على الرغم من أن المخرجات الأيضية للبيروكسيسومات تختلف بين الخميرة والخلايا العصبية، إلا أن الحاجة إلى التواصل المنسق بين العضيات تظل ثابتة. توفر هذه الأبحاث نموذجًا ميكانيكيًا لـ N88S seipinopathy، موضحة كيف تتقارب الاضطرابات في استقلاب الفوسفوليبيد والإجهاد التأكسدي لتؤثر على توازن البروتين والدهون. تؤكد الدراسة على أهمية استهداف تقسيم الأيض وتكيف البيروكسيسوم كاستراتيجيات علاجية محتملة لمعالجة الاختلالات الخلوية في الأمراض العصبية الحركية المرتبطة بـ N88S seipin.
DOI: https://doi.org/10.3390/cells15050395
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41827830
Publication Date: 2026-02-24
Author(s): Vítor Moreira et al.
Primary Topic: Genetic Neurodegenerative Diseases
Overview
The research highlights that the N88S seipin mutation disrupts the compartmentalization of acetyl-CoA, leading to its improper utilization in mitochondrial and glyoxylate cycle pathways. This misrouting promotes cytosolic lipogenesis and exacerbates oxidative stress, contributing to a futile lipogenic-oxidative cycle that intensifies cellular dysfunction in N88S seipinopathy. The study emphasizes the interconnectedness of lipid and protein metabolism, revealing that the accumulation of phosphatidic acid (PA) and impaired inositol metabolism are central to the pathophysiology of this condition. These metabolic imbalances not only drive endoplasmic reticulum (ER) stress but also establish a feedback loop that amplifies oxidative stress through mislocalized acetyl-CoA.
The findings suggest novel therapeutic strategies targeting multiple metabolic control points to treat seipinopathies and related motor neuron diseases. Interventions could include enhancing mitochondrial acetyl-CoA utilization, promoting phospholipid biosynthesis, and optimizing peroxisomal function, which appears to be a compensatory response rather than merely a consequence of lipotoxicity. By addressing these interconnected defects, the proposed multifaceted approach aims to disrupt the self-reinforcing cycle of ER stress, lipid peroxidation, and reactive oxygen species (ROS) generation, ultimately restoring metabolic balance and cellular integrity in N88S seipin-expressing cells.
Introduction
Lipid droplets (LDs) are essential organelles for neutral lipid storage, and their proper formation and turnover are crucial for cellular lipid homeostasis. Disruptions in LD dynamics are associated with various metabolic and neurodegenerative diseases. A key protein in LD biogenesis is seipin, which is vital for triacylglycerol nucleation and LD budding. Mutations in human seipin, such as N88S and S90L, lead to autosomal dominant motor neuron diseases, characterized by motor neuron degeneration and associated cellular stress due to misfolding and impaired glycosylation of the protein. Recent studies using *Saccharomyces cerevisiae* have identified oxidative stress as a significant pathogenic mechanism in N88S seipinopathy, highlighting alterations in phospholipid metabolism and iron regulation that contribute to neurotoxicity.
The research indicates that the N88S mutation causes an accumulation of phosphatidic acid and disrupts phospholipid biosynthesis, while also impairing iron homeostasis, which exacerbates oxidative damage. This duality of proteinopathy and lipidopathy underscores the complex interplay between defective lipid metabolism and iron imbalance in promoting cellular dysfunction. Furthermore, the study suggests that peroxisomal dysregulation may directly contribute to the pathogenesis of N88S seipinopathy, as misrouting of acetyl-CoA leads to a cycle of aberrant lipogenesis and oxidative stress. These findings position disrupted acetyl-CoA compartmentalization as a central mechanism driving the cellular pathology associated with this disease, offering potential biomarkers and therapeutic targets for intervention.
Methods
In this study, the researchers utilized various strains of *Saccharomyces cerevisiae*, specifically derived from the W303α parental strain, to investigate gene modifications through standard PCR-based homologous recombination techniques. The primers for these modifications were designed using the Primers-4-Yeast tool in conjunction with the pFA6 plasmid set. Key plasmids employed in the experiments are listed in Table S2.
The cloning processes involved integrating the ADH1 promoter and terminator sequences with the MPC1 open reading frame (ORF) and CAT2 gene variants into the pRS315-UPRE-LacZ vector. The MPC1 ORF was amplified from BY4741 genomic DNA and inserted into the vector after digestion with ClaI and NheI, while CAT2, which encodes a mitochondrial precursor protein with both mitochondrial and peroxisomal targeting signals, was similarly integrated. A modified construct, pRS315-UPRE-LacZ-ADH1pr-CAT2cyt-ADHt, was created by deleting the peroxisomal targeting signal and the first 22 amino acids of CAT2, resulting in a protein localized in both peroxisomes and the cytosol, termed cytosolic CAT2 (CAT2cyt). Additionally, the expression of CIT2-LacZ was monitored using a reporter gene integrated at the CIT2 locus. All constructs were confirmed through sequencing or PCR, and the strains were transformed using a standard lithium acetate method.
Results
In this study, a yeast model of human N88S-linked seipinopathy was utilized, constructed in a seipin-deficient background (sei1Δ ldb16Δ) with human wild-type (WT) and N88S mutant seipin expressed as fusions to the Venus fluorescent protein. A quantitative untargeted mass spectrometric proteomic analysis was performed to assess protein abundance differences between WT and N88S-expressing cells. Gene ontology (GO) analysis of differentially expressed proteins (DEPs) revealed significant enrichment in pathways related to the tricarboxylic acid cycle (TCA) (GO:0006099; p-value = 5.34 × 10^-8), fatty acid metabolic processes (GO:0006631; p-value = 1.29 × 10^-5), carboxylic acid metabolism (GO:0019752; p-value = 2.17 × 10^-6), and the glyoxylate cycle (GO:0006097; p-value = 2.49 × 10^-6).
These findings suggest that the function of peroxisomes is compromised in N88S seipin-expressing cells, potentially leading to disruptions in lipid metabolism and metabolic flux. The alterations observed in these metabolic pathways may contribute to the pathophysiology associated with N88S seipinopathy, highlighting the critical role of peroxisomal function in maintaining cellular energy homeostasis.
Discussion
In this study, the authors investigated the relationship between peroxisome dynamics and the formation of inclusion bodies (IBs) in yeast cells expressing the N88S seipin mutation. They found that N88S seipin-expressing cells exhibited an increased number of peroxisomes compared to wild-type (WT) cells, although their morphology remained unchanged. Notably, the absence of functional peroxisomes significantly enhanced IB formation, suggesting a metabolic link between peroxisomes and IB generation. Furthermore, Western blot analyses indicated elevated levels of peroxisomal proteins Pex5p and Pot1p in N88S cells, supporting the notion that peroxisomes are functional and contribute to metabolic processes in these mutant cells.
The study also revealed that peroxisome deficiency led to increased reactive oxygen species (ROS) production and disrupted redox balance without triggering endoplasmic reticulum (ER) stress. Specifically, deletion of the PEX3 gene resulted in a 75% increase in ROS levels in N88S cells, while WT cells remained unaffected. This suggests that peroxisomes play a crucial role in managing oxidative stress and maintaining cellular homeostasis. Additionally, the authors observed that N88S cells had impaired activation of the glyoxylate cycle, which is essential for metabolic adaptation during stress conditions. Overall, the findings highlight the importance of peroxisomal function in regulating IB formation, oxidative stress, and metabolic flexibility in the context of N88S seipinopathy.
Limitations
The limitations of the model discussed in this research highlight the yeast-specific nature of the glyoxylate cycle, while emphasizing that the primary focus is on the regulation of acetyl-CoA compartmentalization and inter-organelle metabolic coupling, which are conserved across species. The study reveals that proper distribution of acetyl-CoA among peroxisomes, mitochondria, and the cytosol is crucial for maintaining redox balance and lipid homeostasis. In mammalian neurons, despite the absence of a glyoxylate shunt, efficient transfer of acetyl-CoA is necessary to prevent cytosolic accumulation and associated lipid synthesis abnormalities, which are linked to neurodegenerative disorders.
The findings indicate that the N88S seipin mutation disrupts the balance between oxidative utilization and lipogenic diversion of acetyl-CoA, leading to lipid-driven oxidative stress and endoplasmic reticulum (ER) dysfunction—key factors in neurodegeneration. Although the metabolic outputs of peroxisomes differ between yeast and neurons, the need for coordinated organelle communication remains consistent. This research provides a mechanistic model for N88S seipinopathy, illustrating how disruptions in phospholipid metabolism and oxidative stress converge to affect protein and lipid homeostasis. The study underscores the importance of targeting metabolic compartmentalization and peroxisomal adaptation as potential therapeutic strategies for addressing cellular dysfunctions in N88S seipin-associated motor neuron diseases.