5月3日，《細胞—代謝》（Cell Metabolism）刊發(fā)了中國科學院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院研究員劉興國團隊與合作者最新研究成果。他們改寫了教科書中“線粒體基因組編碼13個蛋白”的論斷，首次發(fā)現(xiàn)線粒體基因編碼第14個蛋白質(zhì)的“線粒體約定”新模式。

“我們在研究中發(fā)現(xiàn)并證明了線粒體基因細胞色素b（CYTB）可編碼一個新的線粒體基因編碼胞質(zhì)翻譯蛋白CYTB-187AA，并首次提供了基因編碼胞質(zhì)翻譯蛋白存在的質(zhì)譜證據(jù)，進一步表明CYTB-187AA在哺乳動物的早期發(fā)育中發(fā)揮重要作用?！闭撐耐ㄓ嵶髡邉⑴d國對《中國科學報》表示。

改寫線粒體基因編碼教科書

在細胞中，有許許多多的細胞器，像是不同的車間，有秩序的進行生命活動，維持整個細胞的運轉(zhuǎn)。其中，線粒體是一種特殊的細胞器，它們具有自己的DNA，稱為線粒體DNA?！熬€粒體很小，容納的線粒體DNA也小，只包含37個基因。”劉興國表示。

眾所周知，教科書上寫明哺乳動物的線粒體基因組包含37個基因，其中13個基因編碼信使核糖核酸翻譯為蛋白質(zhì)、22個編碼轉(zhuǎn)運核糖核酸、2個編碼核糖體核糖核酸。這些基因各司其職，有的編碼核糖體核糖核酸，有的編碼轉(zhuǎn)移核糖核酸，有的可以編碼蛋白質(zhì)。

線粒體基因CYTB編碼胞質(zhì)翻譯的CYTB-187AA調(diào)控早期發(fā)育。劉興國供圖

“線粒體基因組編碼的信使核糖核酸在內(nèi)膜包裹的基質(zhì)內(nèi)，由線粒體核糖體翻譯，形成內(nèi)膜上呼吸鏈的13個蛋白質(zhì)，在能量產(chǎn)生中發(fā)揮了核心作用?！眲⑴d國表示，細胞核里儲存我們重要的基因組?；蚪M進行轉(zhuǎn)錄和翻譯，逐漸構(gòu)建出我們個體的主要成分，是我們最根本的生命物質(zhì)。

那么，線粒體基因組線粒體DNA也會進行轉(zhuǎn)錄和翻譯嗎？答案是肯定的。

線粒體基因組中心法則的密碼子，與細胞核在細胞質(zhì)核糖體翻譯的“標準密碼子”存在明顯不同。然而，線粒體基因組編碼區(qū)是否可以使用細胞質(zhì)標準遺傳密碼編碼新的蛋白質(zhì)？這是關(guān)乎中心法則的最基本科學問題。

作為唯一的呼吸鏈復(fù)合物III的線粒體編碼基因，劉興國團隊針對CYTB，其信使核糖核酸出線粒體而使用胞質(zhì)核糖體的標準遺傳密碼編碼全新蛋白質(zhì)進行分析，并制定了這一187個氨基酸長的新蛋白質(zhì)的抗體。

他們利用液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜鑒定了CYTB-187AA的外源特征肽，在多株人、鼠的細胞中鑒定了多條匹配的內(nèi)源特征肽。隨后使用MoonTag系統(tǒng)可視化CYTB-187A信使核糖核酸在胞質(zhì)核糖體的翻譯，并通過Western Blot在多株人、鼠的細胞中檢測到了CYTB-187AA。

為了驗證其線粒體基因組來源，團隊比較了線粒體基因組缺失細胞和野生型細胞，發(fā)現(xiàn)CYTB-187AA僅在后者表達?！拔覀冊谇媒敌∈竽Ｐ椭?，發(fā)現(xiàn)CYTB-187AA的減少會減少卵泡數(shù)量，從而損害雌性的生育能力。”劉興國說。

首次發(fā)現(xiàn)線粒體基因新編碼

記者了解到，劉興國團隊與合作者改寫了教科書中“線粒體基因組編碼13個蛋白”的論斷，發(fā)現(xiàn)了線粒體基因組上編碼復(fù)合物III中細胞色素b的CYTB基因可以使用胞質(zhì)核糖體的標準遺傳密碼編碼第14個全新蛋白質(zhì)。

線粒體與細胞核20億年前相遇，開始了真核生物的進化，而進化中，兩者不同密碼子的中心法則，“與君若只如初見，動若參商終不怨”，并不是象參星和商星一樣獨立運行?！澳魏蔚乳e絲未盡，我以我心為探看”，線粒體約定，用其部分信使核糖核酸使用細胞核中心法則，是兩個中心法則交互事件。

此外，線粒體基因CYTB的雙重翻譯模式：母蛋白CYTB與CYTB-187AA展示了線粒體能量的雙重調(diào)控模式。與在呼吸鏈復(fù)合物III中的CYTB蛋白比較，這一線粒體基因編碼的第14個蛋白質(zhì)CYTB-187AA與SLC25A3相互作用，異曲同工的調(diào)節(jié)能量過程，在卵子發(fā)育、著床前后等早期發(fā)育中發(fā)揮重要作用。

在干細胞的始發(fā)態(tài)-原始態(tài)的兩種多能性狀態(tài)中，CYTB-187AA是原始態(tài)所必需的，并調(diào)控兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過程。機制上，CYTB-187AA通過與線粒體磷酸轉(zhuǎn)運蛋白SLC25A3相互作用，通過能量通用貨幣“三磷酸腺苷”依賴的方式進行調(diào)控。而在體內(nèi)，劉興國團隊建立了CYTB-187AA敲降小鼠模型，發(fā)現(xiàn)CYTB-187AA敲降會減少卵泡數(shù)量，從而損害雌性生育能力。

進一步，劉興國團隊通過超高分辨顯微鏡，發(fā)現(xiàn)CYTB-187AA在胞質(zhì)翻譯后定位到線粒體基質(zhì)中，其中N端的37個氨基酸在靶向線粒體基質(zhì)中起到了決定性作用。有趣的是，誘導(dǎo)多能干細胞（iPSC）與親本成纖維細胞或其分化的肝細胞相比，CYTB-187AA在iPSC中的表達量更高，這暗示CYTB-187A與多能性存在重要關(guān)聯(lián)。

“我們在研究中發(fā)現(xiàn)并證實，除13個的線粒體基因編碼的蛋白質(zhì)外，線粒體CYTB可以產(chǎn)生一個線粒體基因編碼胞質(zhì)翻譯的新蛋白CYTB-187AA?！眲⑴d國表示，該模式的英文縮寫PACT具有“約定”的含義，因此將這一新模式稱為“線粒體約定”。同時揭示了CYTB-187AA在胞質(zhì)翻譯后定位到線粒體基質(zhì)中，通過“三磷酸腺苷”依賴的方式調(diào)控早期發(fā)育。

上述研究由中國科學院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院與廣州醫(yī)科大學、中國科學院香港創(chuàng)新研究院、香港中文大學、廣州實驗室、南開大學和西湖大學等多個研究組合作完成，并得到國家重點研發(fā)項目、中國科學院、國家自然科學基金、廣東省和廣州市的經(jīng)費支持。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.cmet.2024.04.012

來源：中國科學報