5月7日，國際學(xué)術(shù)期刊Redox Biology在線發(fā)表了中國科學(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)周小龍研究組與中國科學(xué)院生物物理研究所陳暢研究組最新合作研究成果“Mitochondrial translational defect extends lifespan in C. elegans by activating UPRmt”。 該工作鑒定首例由一個(gè)編碼基因，通過mRNA翻譯重起始產(chǎn)生細(xì)胞質(zhì)與線粒體兩種蘇氨酰-tRNA合成酶(ThrRS);揭示線粒體翻譯缺陷通過激活線粒體未折疊蛋白反應(yīng)(UPRmt)延長線蟲壽命;揭示氨基酰-tRNA合成酶(aaRS)缺陷相關(guān)線粒體翻譯功能受損激活UPRmt具有普遍性與物種間的保守性。
真核生物有至少兩套蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)，需用至少兩套aaRS。通常情況下，兩套核基因編碼細(xì)胞質(zhì)與線粒體aaRS。由一種基因編碼兩種aaRS的情況相對(duì)較少，且具體機(jī)制尚待深入研究。線粒體作為半自主性細(xì)胞器，有其自身的基因組(mtDNA)，負(fù)責(zé)編碼少量對(duì)于線粒體氧化磷酸化復(fù)合物關(guān)鍵的蛋白質(zhì)亞基，在線粒體發(fā)生、結(jié)構(gòu)與功能調(diào)控中具有重要作用。由于線粒體在細(xì)胞能量供應(yīng)、代謝調(diào)控及命運(yùn)決定中的核心作用，人類線粒體蛋白質(zhì)合成紊亂常導(dǎo)致包括神經(jīng)退行性疾病、心臟病、肌無力、癲癇、耳聾、生殖缺陷等多組織器官受累的疾病表型，統(tǒng)稱為線粒體腦肌病。但是線粒體蛋白質(zhì)合成對(duì)于其他真核模式生物的生物學(xué)功能了解較少。
本研究中，研究人員首先分析了線蟲(C. elegans) ThrRS的基因與蛋白質(zhì)形式，發(fā)現(xiàn)線蟲只有一個(gè)潛在的ThrRS基因tars-1, 但卻注釋兩種不同長度的ThrRS;通過RT-PCR以及5’-RACE方法證明在線蟲體內(nèi)，只有一種tars-1 mRNA，可能利用翻譯重起始產(chǎn)生兩種形式的ThrRS; 利用在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中的熒光定位實(shí)驗(yàn)，明確長形式ThrRS (CeThrRS-1)與短形式ThrRS (CeThrRS-2)分別定位于線粒體與細(xì)胞質(zhì)中;通過構(gòu)建兩種酵母遺傳學(xué)突變株，證明體內(nèi)tars-1通過翻譯重起始產(chǎn)生CeThrRS-1 以及CeThrRS-2，它們分別在線粒體與細(xì)胞質(zhì)蛋白質(zhì)合成中發(fā)揮作用;以CeThrRS-2為研究對(duì)象，系統(tǒng)研究了其介導(dǎo)的細(xì)胞質(zhì)與線粒體tRNA氨基酰化反應(yīng)的機(jī)制，并闡明了其催化的蛋白質(zhì)合成質(zhì)量控制機(jī)制。為了研究線粒體tars-1的生理功能，通過CRISPR–Cas9構(gòu)建線粒體tars-1敲低的線蟲品系，發(fā)現(xiàn)線粒體 tars-1 敲低線蟲出現(xiàn)發(fā)育遲緩、運(yùn)動(dòng)能力下降、產(chǎn)卵下降、壽命延長的表型，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)線粒體功能受損：耗氧率降低、復(fù)合物Ⅰ活性下降、線粒體出現(xiàn)還原應(yīng)激，UPRmt被激活，而線蟲壽命的延長依賴于UPRmt的激活。進(jìn)一步敲低線蟲及哺乳動(dòng)物細(xì)胞中多種線粒體aaRS，發(fā)現(xiàn)都能激活UPRmt，說明線粒體aaRS缺陷相關(guān)線粒體翻譯功能受損激活UPRmt具有普遍性及物種間的保守性。
本研究從基因、轉(zhuǎn)錄本、蛋白質(zhì)形式、生化機(jī)制、細(xì)胞定位、細(xì)胞器功能與動(dòng)物整體水平，首次系統(tǒng)闡釋了由一種ThrRS基因編碼兩種細(xì)胞定位的ThrRS的分子機(jī)制、建立并闡明了線蟲ThrRS介導(dǎo)的蛋白質(zhì)合成速度與質(zhì)量控制機(jī)制、揭示了線粒體翻譯損傷通過激活線粒體UPR延長線蟲壽命。以上研究為更加深入認(rèn)識(shí)線粒體蛋白質(zhì)合成在真核生物衰老與壽命中的關(guān)鍵作用提供了新的基礎(chǔ)。
中科院生物物理所博士生郭苗苗、高級(jí)工程師喬新華、博士后王圓圓及中科院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心博士生李子涵為本文共同第一作者。陳暢研究員與周小龍研究員為本文共同通訊作者。感謝中科院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心王恩多研究員給予的大力支持。本課題獲得科技部、中科院、基金委、上海市科委的資助。
文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.redox.2023.102722
圖：線粒體翻譯缺陷通過激活線粒體UPR延長線蟲壽命
