5月3日，《細(xì)胞—代謝》（Cell Metabolism）刊發(fā)了中國(guó)科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院研究員劉興國(guó)團(tuán)隊(duì)與合作者最新研究成果。他們改寫了教科書(shū)中“線粒體基因組編碼13個(gè)蛋白”的論斷，首次發(fā)現(xiàn)線粒體基因編碼第14個(gè)蛋白質(zhì)的“線粒體約定”新模式。

“我們?cè)谘芯恐邪l(fā)現(xiàn)并證明了線粒體基因細(xì)胞色素b（CYTB）可編碼一個(gè)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(jìn)一步表明CYTB-187AA在哺乳動(dòng)物的早期發(fā)育中發(fā)揮重要作用。”論文通訊作者劉興國(guó)對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》表示。

改寫線粒體基因編碼教科書(shū)

在細(xì)胞中，有許許多多的細(xì)胞器，像是不同的車間，有秩序的進(jìn)行生命活動(dòng)，維持整個(gè)細(xì)胞的運(yùn)轉(zhuǎn)。其中，線粒體是一種特殊的細(xì)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(gè)基因?！眲⑴d國(guó)表示。

眾所周知，教科書(shū)上寫明哺乳動(dòng)物的線粒體基因組包含37個(gè)基因，其中13個(gè)基因編碼信使核糖核酸翻譯為蛋白質(zhì)、22個(gè)編碼轉(zhuǎn)運(yùn)核糖核酸、2個(gè)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(guó)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(gè)蛋白質(zhì)，在能量產(chǎn)生中發(fā)揮了核心作用?！眲⑴d國(guó)表示，細(xì)胞核里儲(chǔ)存我們重要的基因組?；蚪M進(jìn)行轉(zhuǎn)錄和翻譯，逐漸構(gòu)建出我們個(gè)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(huì)進(jìn)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(xì)胞核在細(xì)胞質(zhì)核糖體翻譯的“標(biāo)準(zhǔn)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(xì)胞質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)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(xué)問(wèn)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(guó)團(tuán)隊(duì)針對(duì)CYTB，其信使核糖核酸出線粒體而使用胞質(zhì)核糖體的標(biāo)準(zhǔn)遺傳密碼編碼全新蛋白質(zhì)進(jìn)行分析，并制定了這一187個(gè)氨基酸長(zhǎng)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(xì)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(guò)Western Blot在多株人、鼠的細(xì)胞中檢測(cè)到了CYTB-187AA。

為了驗(yàn)證其線粒體基因組來(lái)源，團(tuán)隊(duì)比較了線粒體基因組缺失細(xì)胞和野生型細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)CYTB-187AA僅在后者表達(dá)?！拔覀?cè)谇媒敌∈竽Ｐ椭校l(fā)現(xiàn)CYTB-187AA的減少會(huì)減少卵泡數(shù)量，從而損害雌性的生育能力?！眲⑴d國(guó)說(shuō)。

首次發(fā)現(xiàn)線粒體基因新編碼

記者了解到，劉興國(guó)團(tuán)隊(duì)與合作者改寫了教科書(shū)中“線粒體基因組編碼13個(gè)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(xì)胞色素b的CYTB基因可以使用胞質(zhì)核糖體的標(biāo)準(zhǔn)遺傳密碼編碼第14個(gè)全新蛋白質(zhì)。

線粒體與細(xì)胞核20億年前相遇，開(kāi)始了真核生物的進(jìn)化，而進(jìn)化中，兩者不同密碼子的中心法則，“與君若只如初見(jiàn)，動(dòng)若參商終不怨”，并不是象參星和商星一樣獨(dú)立運(yùn)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(xì)胞核中心法則，是兩個(gè)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(gè)蛋白質(zhì)CYTB-187AA與SLC25A3相互作用，異曲同工的調(diào)節(jié)能量過(guò)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(xì)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(guò)程。機(jī)制上，CYTB-187AA通過(guò)與線粒體磷酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白SLC25A3相互作用，通過(guò)能量通用貨幣“三磷酸腺苷”依賴的方式進(jìn)行調(diào)控。而在體內(nèi)，劉興國(guó)團(tuán)隊(duì)建立了CYTB-187AA敲降小鼠模型，發(fā)現(xiàn)CYTB-187AA敲降會(huì)減少卵泡數(shù)量，從而損害雌性生育能力。

進(jìn)一步，劉興國(guó)團(tuán)隊(duì)通過(guò)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(gè)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(xì)胞（iPSC）與親本成纖維細(xì)胞或其分化的肝細(xì)胞相比，CYTB-187AA在iPSC中的表達(dá)量更高，這暗示CYTB-187A與多能性存在重要關(guān)聯(lián)。

“我們?cè)谘芯恐邪l(fā)現(xiàn)并證實(shí)，除13個(gè)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(gè)線粒體基因編碼胞質(zhì)翻譯的新蛋白CYTB-187AA?！眲⑴d國(guó)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(shí)揭示了CYTB-187AA在胞質(zhì)翻譯后定位到線粒體基質(zhì)中，通過(guò)“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(guó)科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院與廣州醫(yī)科大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院香港創(chuàng)新研究院、香港中文大學(xué)、廣州實(shí)驗(yàn)室、南開(kāi)大學(xué)和西湖大學(xué)等多個(gè)研究組合作完成，并得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院、國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省和廣州市的經(jīng)費(fèi)支持。

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

來(lái)源：中國(guó)科學(xué)報(bào)