9月5日，國際學術期刊PNAS在線發(fā)表了中國科學院分子細胞科學卓越創(chuàng)新中心(生物化學與細胞生物學研究所)周小龍組與王恩多組最新合作研究成果“Mammalian mitochondrial translation infidelity leads to oxidative stress-induced cell cycle arrest and cardiomyopathy”，揭示了哺乳動物線粒體mRNA翻譯需要嚴格的質量控制機制。
線粒體是真核生物關鍵細胞器，其主要生物學功能是通過氧化磷酸化，為細胞提供能量ATP，并調控物質合成、細胞命運、Ca2+穩(wěn)態(tài)、氧化還原平衡等。線粒體是半自主性細胞器，擁有自己的基因組。人線粒體基因組含有16569個堿基對，編碼37個基因，包括22個tRNA基因，2個rRNA基因，用于翻譯產(chǎn)生13種蛋白質，它們都是氧化呼吸鏈復合物I, III, IV, V的關鍵核心亞基，且全部是跨線粒體內(nèi)膜蛋白質，對于氧化呼吸鏈復合物的組裝和功能具有至關重要的作用。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構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復制、RNA轉錄以及mRNA翻譯。氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase, aaRS)是mRNA翻譯過程中的關鍵酶，通常20種氨基酸分別對應20種aaRS，通過氨基?；磻獙RNA與對應的氨基酸連接起來，形成正確的氨基酰-tRNA (例如Thr-tRNAThr)，為mRNA翻譯提供原料。tRNA是分子量約25 kDa的生物大分子，含有被aaRS正確識別的正向/反向識別元件;但氨基酸是小分子，側鏈比較相似，很多aaRS很難精準識別對應的氨基酸底物，會形成錯誤配對的氨基酰-tRNA (例如Ser-tRNAThr)。因此，近半數(shù)aaRS進化出編校功能以水解錯誤的氨基酰-tRNA，確保mRNA翻譯的保真性。已有研究表明，細菌、古菌、低等及高等真核生物細胞質aaRS均具有保守的編校結構域;若編校結構域發(fā)生功能損傷性變異，將導致mRNA錯誤翻譯，進而引起細胞生長受阻以及神經(jīng)退行性疾病、心臟病等。
線粒體aaRS卻呈現(xiàn)出不同的進化軌跡，人線粒體只含有19種aaRS，絕大多數(shù)線粒體aaRS已經(jīng)完全喪失了編校結構域，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)]具備完整的編校結構域。長期以來，領域內(nèi)認為線粒體mRNA翻譯由于只產(chǎn)生13種蛋白質，共解碼3789個密碼子;且線粒體內(nèi)氨基酸組成簡單，沒有大量的非蛋白質氨基酸;因此，線粒體mRNA翻譯應該不需要保真性調控機制。
為了回答線粒體是否需要翻譯保真性機制，研究人員首先通過體外生化實驗證明，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?通過CRISPR/Cas9方法，構建了含有編校活性中心雙突變(H138A/H142A)的NIH3T3細胞系(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器作為原料利用，在線粒體基因組編碼的蛋白質中含有大量的Thr被Ser誤摻的肽段，導致呼吸鏈復合物活力下調、氧化呼吸能力減弱等。進一步研究發(fā)現(xiàn)，線粒體翻譯保真性缺失導致細胞內(nèi)氧化應激，通過上調p53調控Cdk2-Cyclin E相互作用，將NIH3T3-MU細胞周期阻滯在G0/G1期;用抗氧化劑N-乙酰半胱氨酸(NAC)可以有效地解除細胞周期阻滯。研究者還構建了小鼠心肌細胞HL-1的H138A/H142A突變細胞系(HL-1-MU)，在HL-1-MU細胞中同樣觀察到誤氨基?；p傷的線粒體翻譯、氧化應激、細胞周期阻滯、呼吸鏈復合物活力下調、氧化呼吸能力減弱等現(xiàn)象，提示了不同細胞類型對于線粒體翻譯保真性失調具有類似的細胞效應。通過CRISPR/Cas9方法，構建了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。進一步獲得了心肌細胞特異性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胞，觀察到心肌細胞氧化應激以及細胞周期阻滯等現(xiàn)象。
總之，本研究通過構建第一個編校缺陷性細胞模型與動物模型，揭示哺乳動物線粒體mRNA翻譯雖然“簡單”，卻需要嚴格的質量控制機制;在細胞水平上，保真性失衡會導致線粒體錯誤翻譯，進而引起能量供應不足、氧化應激與細胞周期阻滯等;在動物水平上，保真性失衡會導致擴張性心肌病、心臟纖維化等。本研究為線粒體基因表達調控機制提供了新視角。
分子細胞卓越中心/上海科技大學聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生鄭文強為本文第一作者，分子細胞卓越中心/中國科學院大學杭州高等研究院周小龍研究員和分子細胞卓越中心/上?？萍即髮W王恩多研究員為本文共同通訊作者。分子細胞卓越中心李勁松研究員、周斌研究員、法國CNRS Gilbert Eriani研究員參與了本研究。本研究得到了科技部國家重點研發(fā)計劃、基金委、中國科學院、上海市的經(jīng)費資助。
文章鏈接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2309714120
線粒體翻譯保真性喪失導致細胞周期阻滯與心肌病
