9月5日，國際學(xué)術(shù)期刊PNAS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(yán)格的質(zhì)量控制機(jī)制。

　　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(zhì)，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。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種氨基酸分別對應(yīng)20種aaRS，通過氨基?；磻?yīng)將tRNA與對應(yīng)的氨基酸連接起來，形成正確的氨基酰-tRNA (例如Thr-tRNA^Thr)，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(cè)鏈比較相似，很多aaRS很難精準(zhǔn)識別對應(yīng)的氨基酸底物，會形成錯誤配對的氨基酰-tRNA (例如Ser-tRNA^Thr)。因此，近半數(shù)aaRS進(jìn)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(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錯誤翻譯，進(jìn)而引起細(xì)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(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。長期以來，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(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。

　　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驗證明，小鼠線粒體蘇氨酰-tRNA合成酶(Tars2)具有編校Ser-tRNA^Thr的能力，且H138以及H142是Tars2的編?；钚灾行?通過CRISPR/Cas9方法，構(gòu)建了含有編?；钚灾行碾p突變(H138A/H142A)的NIH3T3細(xì)胞系(NIH3T3-MU)，發(fā)現(xiàn)H138A/H142A突變使線粒體tRNA^Thr誤接載Ser，形成的Ser-tRNA^Thr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酰化、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)建第一個編校缺陷性細(xì)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(yán)格的質(zhì)量控制機(jī)制;在細(xì)胞水平上，保真性失衡會導(dǎo)致線粒體錯誤翻譯，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;在動物水平上，保真性失衡會導(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。

　　分子細(xì)胞卓越中心/上海科技大學(xué)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)胞卓越中心/中國科學(xué)院大學(xué)杭州高等研究院周小龍研究員和分子細(xì)胞卓越中心/上?？萍即髮W(xué)王恩多研究員為本文共同通訊作者。分子細(xì)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(xué)院、上海市的經(jīng)費(fèi)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(dǎo)致細(xì)胞周期阻滯與心肌病