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【科技前沿】PNAS

來源：泰然健康網(wǎng) 時(shí)間：2025年07月14日 06:04

線粒體是真核生物關(guān)鍵細(xì)胞器，其主要生物學(xué)功能是通過氧化磷酸化，為細(xì)胞提供能量ATP，并調(diào)控物質(zhì)合成、細(xì)胞命運(yùn)、Ca2+穩(wěn)態(tài)、氧化還原平衡等。線粒體是半自主性細(xì)胞器，擁有自己的基因組。人線粒體基因組含有16569個(gè)堿基對(duì)，編碼37個(gè)基因，包括22個(gè)tRNA基因，2個(gè)rRNA基因，用于翻譯產(chǎn)生13種蛋白質(zhì)【1】，它們都是氧化呼吸鏈復(fù)合物I, III, IV, V的關(guān)鍵核心亞基，且全部是跨線粒體內(nèi)膜蛋白質(zhì)，對(duì)于氧化呼吸鏈復(fù)合物的組裝和功能具有至關(guān)重要的作用【2】。因此，線粒體基因組所有基因全部用于線粒體翻譯，凸顯了線粒體翻譯在線粒體結(jié)構(gòu)與功能中的核心作用。

同核基因組類似，線粒體遺傳信息傳遞主要包括DNA復(fù)制、RNA轉(zhuǎn)錄以及mRNA翻譯。氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase, aaRS) 是mRNA翻譯過程中的關(guān)鍵酶，通常20種氨基酸分別對(duì)應(yīng)20種aaRS，通過氨基?；磻?yīng)將tRNA與對(duì)應(yīng)的氨基酸連接起來，形成正確的氨基酰-tRNA (例如Thr-tRNAThr)，為mRNA翻譯提供原料【3】。tRNA是分子量約25 kDa的生物大分子，含有被aaRS正確識(shí)別的正向/反向識(shí)別元件；但氨基酸是小分子，側(cè)鏈比較相似，很多aaRS很難精準(zhǔn)識(shí)別對(duì)應(yīng)的氨基酸底物，會(huì)形成錯(cuò)誤配對(duì)的氨基酰-tRNA (例如Ser-tRNAThr)。因此，近半數(shù)aaRS進(jìn)化出編校功能以水解錯(cuò)誤的氨基酰-tRNA，確保mRNA翻譯的保真性【4】。已有研究表明，細(xì)菌、古菌、低等及高等真核生物細(xì)胞質(zhì)aaRS均具有保守的編校結(jié)構(gòu)域；若編校結(jié)構(gòu)域發(fā)生功能損傷性變異，將導(dǎo)致mRNA錯(cuò)誤翻譯，進(jìn)而引起細(xì)胞生長(zhǎng)受阻以及神經(jīng)退行性疾病、心臟病等【5, 6】。

線粒體aaRS卻呈現(xiàn)出不同的進(jìn)化軌跡，人線粒體只含有19種aaRS，絕大多數(shù)線粒體aaRS已經(jīng)完全喪失了編校結(jié)構(gòu)域，只有4種線粒體aaRS [包括TARS2 (蘇氨酰-tRNA合成酶), AARS2 (丙氨酰-tRNA合成酶), IARS2 (異亮氨酰-tRNA合成酶), VARS2 (纈氨酰-tRNA合成酶)]具備完整的編校結(jié)構(gòu)域【7】。長(zhǎng)期以來，領(lǐng)域內(nèi)認(rèn)為線粒體mRNA翻譯由于只產(chǎn)生13種蛋白質(zhì)，共解碼3789個(gè)密碼子；且線粒體內(nèi)氨基酸組成簡(jiǎn)單，沒有大量的非蛋白質(zhì)氨基酸；因此，線粒體mRNA翻譯應(yīng)該不需要保真性調(diào)控機(jī)制【8】。

2023年9月5日，中國科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心 (生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所) 周小龍課題組與王恩多課題組合作，在PNAS在線發(fā)表了題為Mammalian mitochondrial translation infidelity leads to oxidative stress-induced cell cycle arrest and cardiomyopathy的研究論文，揭示哺乳動(dòng)物線粒體mRNA翻譯需要嚴(yán)格的質(zhì)量控制機(jī)制。

為了回答線粒體是否需要翻譯保真性機(jī)制，研究人員首先通過體外生化實(shí)驗(yàn)證明，小鼠線粒體蘇氨酰-tRNA合成酶 (Tars2) 具有編校Ser-tRNAThr的能力，且H138以及H142是Tars2的編?；钚灾行模煌ㄟ^CRISPR/Cas9方法，構(gòu)建了含有編校活性中心雙突變(H138A/H142A)的NIH3T3細(xì)胞系 (NIH3T3-MU)，發(fā)現(xiàn)H138A/H142A突變使線粒體tRNAThr誤接載Ser，形成的Ser-tRNAThr有效地被線粒體翻譯機(jī)器作為原料利用，在線粒體基因組編碼的蛋白質(zhì)中含有大量的Thr被Ser誤摻的肽段，導(dǎo)致呼吸鏈復(fù)合物活力下調(diào)、氧化呼吸能力減弱等。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，線粒體翻譯保真性缺失導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)氧化應(yīng)激，通過上調(diào)p53調(diào)控Cdk2-Cyclin E相互作用，將NIH3T3-MU細(xì)胞周期阻滯在G0/G1期；用抗氧化劑N-乙酰半胱氨酸 (NAC) 可以有效地解除細(xì)胞周期阻滯。研究者還構(gòu)建了小鼠心肌細(xì)胞HL-1的H138A/H142A突變細(xì)胞系 (HL-1-MU)，在HL-1-MU細(xì)胞中同樣觀察到誤氨基?；?、損傷的線粒體翻譯、氧化應(yīng)激、細(xì)胞周期阻滯、呼吸鏈復(fù)合物活力下調(diào)、氧化呼吸能力減弱等現(xiàn)象，提示了不同細(xì)胞類型對(duì)于線粒體翻譯保真性失調(diào)具有類似的細(xì)胞效應(yīng)。通過CRISPR/Cas9方法，構(gòu)建了H138A/H142A全身突變小鼠模型，發(fā)現(xiàn)H138A/H142A全身突變小鼠胚胎致死。進(jìn)一步獲得了心肌細(xì)胞特異性H138A/H142A突變小鼠，發(fā)現(xiàn)心臟功能損傷、心肌纖維化等表型；通過分離小鼠原代心肌細(xì)胞，觀察到心肌細(xì)胞氧化應(yīng)激以及細(xì)胞周期阻滯等現(xiàn)象。

總之，本研究通過構(gòu)建第一個(gè)編校缺陷性細(xì)胞模型與動(dòng)物模型，揭示哺乳動(dòng)物線粒體mRNA翻譯雖然“簡(jiǎn)單”，卻需要嚴(yán)格的質(zhì)量控制機(jī)制；在細(xì)胞水平上，保真性失衡會(huì)導(dǎo)致線粒體錯(cuò)誤翻譯，進(jìn)而引起能量供應(yīng)不足、氧化應(yīng)激與細(xì)胞周期阻滯等；在動(dòng)物水平上，保真性失衡會(huì)導(dǎo)致擴(kuò)張性心肌病、心臟纖維化等。本研究為線粒體基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制提供了新視角。

圖：線粒體翻譯保真性喪失導(dǎo)致細(xì)胞周期阻滯與心肌病

中科院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心/上科大聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生鄭文強(qiáng)為本文第一作者，分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心/國科大杭州高等研究院周小龍研究員和分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心/上科大王恩多研究員為本文共同通訊作者。分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心李勁松研究員、周斌研究員、法國CNRS Gilbert Eriani研究員參與了本研究。

文章鏈接:https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2309714120

參考文獻(xiàn)

1. T. Suzuki, A. Nagao, T. Suzuki, Human mitochondrial tRNAs: biogenesis, function, structural aspects, and diseases. Annu Rev Genet 45, 299-329 (2011).

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3. A. Antonellis, E. D. Green, The role of aminoacyl-tRNA synthetases in genetic diseases. Annu Rev Genomics Hum Genet 9, 87-107 (2008).

4. J. Ling, N. Reynolds, M. Ibba, Aminoacyl-tRNA synthesis and translational quality control. Annu Rev Microbiol 63, 61-78 (2009).

5. J. W. Lee et al., Editing-defective tRNA synthetase causes protein misfolding and neurodegeneration. Nature 443, 50-55 (2006).

6. Y. Liu et al., Deficiencies in tRNA synthetase editing activity cause cardioproteinopathy. Proc Natl Acad Sci U S A 111, 17570-17575 (2014).

7. G. X. Peng et al., RNA granule-clustered mitochondrial aminoacyl-tRNA synthetases form multiple complexes with the potential to fine-tune tRNA aminoacylation. Nucleic Acids Res, 50, 12951-12968 (2022).

8. N. M. Reynolds et al., Cell-specific differences in the requirements for translation quality control. Proc Natl Acad Sci U S A 107, 4063-4068 (2010).

本文轉(zhuǎn)載自公眾號(hào)“BioArt”

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原標(biāo)題：《【科技前沿】PNAS | 周小龍/王恩多團(tuán)隊(duì)揭示線粒體翻譯保真性失調(diào)導(dǎo)致細(xì)胞周期阻滯與心臟病》

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