10月9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)周小龍研究組與南京醫(yī)科大學(xué)沈彬團(tuán)隊(duì)、山東大學(xué)齊魯醫(yī)院焉傳祝團(tuán)隊(duì)的最新合作研究成果“Taurine hypomodification underlies mitochondrial tRNA^Trp-related genetic diseases”。該研究揭示了牛磺酸修飾缺陷是線粒體tRNA^Trp相關(guān)遺傳疾病的潛在致病因素。

tRNA是mRNA翻譯機(jī)器的核心成員。約80%的RNA修飾發(fā)生在tRNA上，其中tRNA反密碼環(huán)是修飾最為集中的區(qū)域。反密碼環(huán)上的修飾確保了密碼子與反密碼子的精確配對(duì)，調(diào)控翻譯效率和保真性。

線粒體是細(xì)胞的能量工廠，擁有一套獨(dú)立的蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)。人線粒體基因組編碼22種線粒體tRNA (mtRNA), 負(fù)責(zé)合成13種線粒體基因組編碼的蛋白質(zhì)，對(duì)于線粒體氧化磷酸化復(fù)合物的合成、組裝和功能發(fā)揮具有重要作用。mtRNA修飾譜包含18種轉(zhuǎn)錄后修飾，其中5種mtRNA的第34位尿嘧啶上含有5-?；撬峒谆蜞奏?/span>(τm⁵U)或其衍生修飾5-?；撬峒谆?/span>-2-硫尿嘧啶(τm⁵s²U)，由GTPBP3及MTO1復(fù)合物介導(dǎo)。τm⁵U只發(fā)生在高等真核線粒體tRNA上，細(xì)菌tRNA或低等真核生物(例如酵母)線粒體tRNA對(duì)應(yīng)位置含有結(jié)構(gòu)類似的5-羧甲基氨基甲基(cmnm⁵U)修飾，由MnmE及MnmG復(fù)合物(MnmEG)介導(dǎo)。

早期研究發(fā)現(xiàn)，位于mtRNA^Leu(UUR)上的m.3243A>G和mtRNA^Lys上的m.8344A>G突變導(dǎo)致τm⁵U缺陷，無法有效解碼同源密碼子，最終分別引發(fā)線粒體腦肌病伴乳酸中毒及中風(fēng)樣發(fā)作綜合征(MELAS)和肌陣攣性癲癇伴隨紅纖維病(MERRF)。除這兩種tRNA外，臨床報(bào)道其余三種攜帶τm⁵U或τm⁵s²U的tRNA (mtRNA^Gln、mtRNA^Glu、mtRNA^Trp)上，也存在若干突變導(dǎo)致線粒體疾病。然而，這些遺傳變異是否也引起τm⁵U修飾缺陷一直未被知曉。另一方面，長(zhǎng)期以來，由于無法獲得具有高效催化活力的τm⁵U修飾酶GTPBP3與MTO1復(fù)合物，mtRNA突變導(dǎo)致τm⁵U修飾缺陷的機(jī)制也尚不清楚。

在該研究中，研究人員嘗試?yán)么竽c桿菌MnmEG復(fù)合物(EcMnmEG)對(duì)mtRNA進(jìn)行交叉識(shí)別。通過在原核表達(dá)系統(tǒng)中共純化得到一個(gè)自然組裝的EcMnmEG復(fù)合物，其對(duì)大腸桿菌tRNA具有較高的cmnm⁵U修飾活力；發(fā)現(xiàn)EcMnmEG具有氨基酸和tRNA底物的可塑性，能夠在mtRNA^Trp上引入cmnm⁵U和τm⁵U修飾；利用這樣一套獨(dú)特的修飾系統(tǒng)，體外生化實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)mtRNATrp反密碼莖環(huán)和D莖上的致病變異會(huì)破壞U34修飾；進(jìn)一步地，通過線粒體轉(zhuǎn)化得到MELAS患者來源的雜交細(xì)胞系(m.5541C>T細(xì)胞系)，并通過線粒體基因編輯系統(tǒng)獲得兩種mtRNA^Trp突變細(xì)胞系(m.5532G>A和m.5545C>T細(xì)胞系)，證實(shí)了mtRNA^Trp反密碼莖環(huán)和D莖上的選擇性突變?cè)诩?xì)胞內(nèi)引起τm⁵U缺陷，并導(dǎo)致線粒體基因組編碼的蛋白質(zhì)含量降低以及氧化磷酸化復(fù)合物的組裝缺陷，最終導(dǎo)致線粒體代謝功能障礙。最后，研究人員發(fā)現(xiàn)，在m.5541C>T細(xì)胞培養(yǎng)中補(bǔ)充底物牛磺酸能夠有效提升τm⁵U修飾水平和tRNA穩(wěn)態(tài)水平，顯著改善突變對(duì)于線粒體功能的損傷。

該研究利用EcMnmEG的底物可塑性特征，基于患者來源細(xì)胞或基因編輯細(xì)胞系，揭示若干mtRNA^Trp致病突變通過降低τm⁵U修飾進(jìn)而影響線粒體翻譯、復(fù)合物組裝與線粒體功能；發(fā)現(xiàn)補(bǔ)充牛磺酸可以顯著改善患者來源細(xì)胞的線粒體功能損傷。該研究為深入理解mtRNA^Trp相關(guān)遺傳疾病的致病機(jī)制與開發(fā)潛在干預(yù)策略提供了新的基礎(chǔ)。

分子細(xì)胞卓越中心博士研究生魯嘉莉、南京醫(yī)科大學(xué)博士研究生戴奕晨和山東大學(xué)齊魯醫(yī)院副研究員紀(jì)坤乾為該文共同第一作者，分子細(xì)胞卓越中心/國(guó)科大杭州高等研究院周小龍研究員、南京醫(yī)科大學(xué)沈彬研究員和山東大學(xué)齊魯醫(yī)院焉傳祝教授為論文共同通訊作者。該研究獲得了科技部、基金委、中國(guó)科學(xué)院和上海市科委的經(jīng)費(fèi)資助。分子細(xì)胞卓越中心分子生物學(xué)技術(shù)平臺(tái)李竑博士參與了該研究。感謝法國(guó)斯特拉斯堡大學(xué)Gilbert Eriani教授對(duì)本研究提出的建議。

文章鏈接：https://academic.oup.com/nar/advance-article/doi/10.1093/nar/gkae854/781598

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