12月12日，國際學術期刊Nucleic Acids Research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)周小龍研究組與王恩多研究組的最新合作研究成果“RNA granule-clustered mitochondrial aminoacyl-tRNA synthetases form multiple complexes with the potential to fine-tune tRNA aminoacylation”。

　　人基因組含有37個氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase, aaRS)基因，負責編碼細胞質和線粒體兩套蛋白質合成系統(tǒng)使用的所有aaRS。aaRS催化tRNA氨基?；磻?，生成氨基酰-tRNA，保證蛋白質合成的速度和精確性。相比較于細菌來源的aaRS，哺乳動物細胞質aaRS通常含有N端或者C端的延伸，負責介導蛋白質和蛋白質之間的相互作用，例如9種人細胞質aaRS和3種非酶輔助因子形成細胞質多aaRS復合物(MSC)。MSC的形成對于蛋白質合成的效率以及aaRS行使非蛋白質合成功能具有重要意義。除了人細胞質MSC，細菌、古菌和酵母中也存在簡單的含aaRS的復合物或MSC。19種人線粒體aaRS由核基因編碼。雖然整套人線粒體aaRS在20年前就已被鑒定，但是人線粒體aaRS的亞細胞器定位及相互作用蛋白質網絡尚未系統(tǒng)建立；人線粒體aaRS的活力調控方式也并不清楚。

　　線粒體RNA顆粒(mitochondrial RNA granules, MRG)是近年來發(fā)現(xiàn)的由蛋白質和RNA組成的動態(tài)亞細胞器結構，參與線粒體RNA的加工、成熟和核糖體的生成。MRG的蛋白質組學和熒光實驗揭示多個與RNA代謝相關的線粒體蛋白質分布其中，包括tRNA加工酶RNase P和RNase Z，rRNA甲基轉移酶和 tRNA 修飾酶等。雖然多個線粒體aaRS在 MRG蛋白質組學中被發(fā)現(xiàn)，但是一直缺乏具體的實驗證據。

　　本研究中，研究人員首先分析了人線粒體aaRS與細菌及真核細胞質aaRS的一級結構，揭示人線粒體aaRS從進化上與細菌來源的aaRS同源性更高；克隆和表達了人全套線粒體aaRS基因；通過共聚焦和超高分辨率顯微鏡，發(fā)現(xiàn)19種線粒體aaRS部分定位在MRG中；進一步構建沒有tRNA結合能力的線粒體aaRS突變體，揭示tRNA結合能力對于線粒體aaRS定位在MRG中至關重要；利用免疫沉淀和質譜(IP-MS)聯(lián)用的方法，系統(tǒng)建立了19種人線粒體aaRS的相互作用網絡；進一步通過免疫共沉淀、蛋白質共純化、體外重組等方法，揭示了多個線粒體aaRS形成MSC，包括線粒體丙氨酰-tRNA合成酶(mtAlaRS)-線粒體絲氨酰-tRNA合成酶(mtSerRS)相互作用、線粒體天冬酰胺-tRNA合成酶(mtAsnRS)-mtSerRS相互作用、線粒體酪氨酰-tRNA合成酶(mtTyrRS)-mtSerRS相互作用、線粒體精氨酰-tRNA合成酶(mtArgRS)-線粒體蘇氨酰-tRNA合成酶(mtThrRS)相互作用等；進一步通過體外活力重組實驗證明，線粒體MSC的形成對于特定亞基的氨基?；盍哂姓{節(jié)作用。

　　本研究明確了所有的線粒體aaRS部分定位于MRG中，闡釋了線粒體aaRS進入MRG的潛在分子基礎；建立了全套線粒體aaRS的相互作用網絡并發(fā)現(xiàn)若干線粒體MSC；揭示了線粒體MSC形成對線粒體不同tRNA的氨基酰化效率的協(xié)同調節(jié)作用。這些研究結果加深了人們對線粒體aaRS的亞細胞器定位、相互作用網絡和活力微調機制的認識，為揭示線粒體aaRS基因突變導致相關疾病的分子機制提供了新視角。

　　分子細胞卓越中心與上?？萍即髮W聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生彭桂鑫和分子細胞卓越中心博士研究生毛雪玲為本文共同第一作者，周小龍研究員和王恩多研究員為本文共同通訊作者。分子細胞卓越中心李青潤博士、廈門大學陳鑫教授參與了該研究。該工作得到了科技部國家重點研發(fā)計劃、基金委、中科院、上海市的經費資助。

　　文章鏈接：https://academic.oup.com/nar/advance-article/doi/10.1093/nar/gkac1141/6887605

線粒體aaRS的亞細胞器定位、相互作用和活力微調機制