12月12日，國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Nucleic Acids Research在線發(fā)表了中國(guó)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(gè)氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase, aaRS)基因，負(fù)責(zé)編碼細(xì)胞質(zhì)和線粒體兩套蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)使用的所有aaRS。aaRS催化tRNA氨基?；磻?yīng)，生成氨基酰-tRNA，保證蛋白質(zhì)合成的速度和精確性。相比較于細(xì)菌來(lái)源的aaRS，哺乳動(dòng)物細(xì)胞質(zhì)aaRS通常含有N端或者C端的延伸，負(fù)責(zé)介導(dǎo)蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)之間的相互作用，例如9種人細(xì)胞質(zhì)aaRS和3種非酶輔助因子形成細(xì)胞質(zhì)多aaRS復(fù)合物(MSC)。MSC的形成對(duì)于蛋白質(zhì)合成的效率以及aaRS行使非蛋白質(zhì)合成功能具有重要意義。除了人細(xì)胞質(zhì)MSC，細(xì)菌、古菌和酵母中也存在簡(jiǎn)單的含aaRS的復(fù)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(xì)胞器定位及相互作用蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)尚未系統(tǒng)建立；人線粒體aaRS的活力調(diào)控方式也并不清楚。
線粒體RNA顆粒(mitochondrial RNA granules, MRG)是近年來(lái)發(fā)現(xiàn)的由蛋白質(zhì)和RNA組成的動(dòng)態(tài)亞細(xì)胞器結(jié)構(gòu)，參與線粒體RNA的加工、成熟和核糖體的生成。MRG的蛋白質(zhì)組學(xué)和熒光實(shí)驗(yàn)揭示多個(gè)與RNA代謝相關(guān)的線粒體蛋白質(zhì)分布其中，包括tRNA加工酶RNase P和RNase Z，rRNA甲基轉(zhuǎn)移酶和 tRNA 修飾酶等。雖然多個(gè)線粒體aaRS在 MRG蛋白質(zhì)組學(xué)中被發(fā)現(xiàn)，但是一直缺乏具體的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。
本研究中，研究人員首先分析了人線粒體aaRS與細(xì)菌及真核細(xì)胞質(zhì)aaRS的一級(jí)結(jié)構(gòu)，揭示人線粒體aaRS從進(jìn)化上與細(xì)菌來(lái)源的aaRS同源性更高；克隆和表達(dá)了人全套線粒體aaRS基因；通過(guò)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(jìn)一步構(gòu)建沒(méi)有tRNA結(jié)合能力的線粒體aaRS突變體，揭示tRNA結(jié)合能力對(duì)于線粒體aaRS定位在MRG中至關(guān)重要；利用免疫沉淀和質(zhì)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(wǎng)絡(luò)；進(jìn)一步通過(guò)免疫共沉淀、蛋白質(zhì)共純化、體外重組等方法，揭示了多個(gè)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(jìn)一步通過(guò)體外活力重組實(shí)驗(yàn)證明，線粒體MSC的形成對(duì)于特定亞基的氨基?；盍哂姓{(diào)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(jìn)入MRG的潛在分子基礎(chǔ)；建立了全套線粒體aaRS的相互作用網(wǎng)絡(luò)并發(fā)現(xiàn)若干線粒體MSC；揭示了線粒體MSC形成對(duì)線粒體不同tRNA的氨基?；实膮f(xié)同調(diào)節(jié)作用。這些研究結(jié)果加深了人們對(duì)線粒體aaRS的亞細(xì)胞器定位、相互作用網(wǎng)絡(luò)和活力微調(diào)機(jī)制的認(rèn)識(shí)，為揭示線粒體aaRS基因突變導(dǎo)致相關(guān)疾病的分子機(jī)制提供了新視角。
分子細(xì)胞卓越中心與上?？萍即髮W(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生彭桂鑫和分子細(xì)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(xì)胞卓越中心李青潤(rùn)博士、廈門大學(xué)陳鑫教授參與了該研究。該工作得到了科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、基金委、中科院、上海市的經(jīng)費(fèi)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(xì)胞器定位、相互作用和活力微調(diào)機(jī)制
