【学术前沿】PNAS | 周小龙/王恩多团队揭示线粒体翻译保真性失调导致细胞周期阻滞与心脏病

线粒体是真核生物关键细胞器，其主要生物学功能是通过氧化磷酸化，为细胞提供能量ATP，并调控物质合成、细胞命运、Ca2+稳态、氧化还原平衡等。线粒体是半自主性细胞器，拥有自己的基因组。人线粒体基因组含有16569个碱基对，编码37个基因，包括22个tRNA基因，2个rRNA基因，用于翻译产生13种蛋白质【1】，它们都是氧化呼吸链复合物I, III, IV, V的关键核心亚基，且全部是跨线粒体内膜蛋白质，对于氧化呼吸链复合物的组装和功能具有至关重要的作用【2】。因此，线粒体基因组所有基因全部用于线粒体翻译，凸显了线粒体翻译在线粒体结构与功能中的核心作用。

同核基因组类似，线粒体遗传信息传递主要包括DNA复制、RNA转录以及mRNA翻译。氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase, aaRS) 是mRNA翻译过程中的关键酶，通常20种氨基酸分别对应20种aaRS，通过氨基酰化反应将tRNA与对应的氨基酸连接起来，形成正确的氨基酰-tRNA (例如Thr-tRNAThr)，为mRNA翻译提供原料【3】。tRNA是分子量约25 kDa的生物大分子，含有被aaRS正确识别的正向/反向识别元件；但氨基酸是小分子，侧链比较相似，很多aaRS很难精准识别对应的氨基酸底物，会形成错误配对的氨基酰-tRNA (例如Ser-tRNAThr)。因此，近半数aaRS进化出编校功能以水解错误的氨基酰-tRNA，确保mRNA翻译的保真性【4】。已有研究表明，细菌、古菌、低等及高等真核生物细胞质aaRS均具有保守的编校结构域；若编校结构域发生功能损伤性变异，将导致mRNA错误翻译，进而引起细胞生长受阻以及神经退行性疾病、心脏病等【5, 6】。

线粒体aaRS却呈现出不同的进化轨迹，人线粒体只含有19种aaRS，绝大多数线粒体aaRS已经完全丧失了编校结构域，只有4种线粒体aaRS [包括TARS2 (苏氨酰-tRNA合成酶), AARS2 (丙氨酰-tRNA合成酶), IARS2 (异亮氨酰-tRNA合成酶), VARS2 (缬氨酰-tRNA合成酶)]具备完整的编校结构域【7】。长期以来，领域内认为线粒体mRNA翻译由于只产生13种蛋白质，共解码3789个密码子；且线粒体内氨基酸组成简单，没有大量的非蛋白质氨基酸；因此，线粒体mRNA翻译应该不需要保真性调控机制【8】。

2023年9月5日，中国科学院分子细胞科学卓越创新中心 (生物化学与细胞生物学研究所) 周小龙课题组与王恩多课题组合作，在PNAS在线发表了题为Mammalian mitochondrial translation infidelity leads to oxidative stress-induced cell cycle arrest and cardiomyopathy的研究论文，揭示哺乳动物线粒体mRNA翻译需要严格的质量控制机制。

为了回答线粒体是否需要翻译保真性机制，研究人员首先通过体外生化实验证明，小鼠线粒体苏氨酰-tRNA合成酶 (Tars2) 具有编校Ser-tRNAThr的能力，且H138以及H142是Tars2的编校活性中心；通过CRISPR/Cas9方法，构建了含有编校活性中心双突变(H138A/H142A)的NIH3T3细胞系 (NIH3T3-MU)，发现H138A/H142A突变使线粒体tRNAThr误接载Ser，形成的Ser-tRNAThr有效地被线粒体翻译机器作为原料利用，在线粒体基因组编码的蛋白质中含有大量的Thr被Ser误掺的肽段，导致呼吸链复合物活力下调、氧化呼吸能力减弱等。进一步研究发现，线粒体翻译保真性缺失导致细胞内氧化应激，通过上调p53调控Cdk2-Cyclin E相互作用，将NIH3T3-MU细胞周期阻滞在G0/G1期；用抗氧化剂N-乙酰半胱氨酸 (NAC) 可以有效地解除细胞周期阻滞。研究者还构建了小鼠心肌细胞HL-1的H138A/H142A突变细胞系 (HL-1-MU)，在HL-1-MU细胞中同样观察到误氨基酰化、损伤的线粒体翻译、氧化应激、细胞周期阻滞、呼吸链复合物活力下调、氧化呼吸能力减弱等现象，提示了不同细胞类型对于线粒体翻译保真性失调具有类似的细胞效应。通过CRISPR/Cas9方法，构建了H138A/H142A全身突变小鼠模型，发现H138A/H142A全身突变小鼠胚胎致死。进一步获得了心肌细胞特异性H138A/H142A突变小鼠，发现心脏功能损伤、心肌纤维化等表型；通过分离小鼠原代心肌细胞，观察到心肌细胞氧化应激以及细胞周期阻滞等现象。

总之，本研究通过构建第一个编校缺陷性细胞模型与动物模型，揭示哺乳动物线粒体mRNA翻译虽然“简单”，却需要严格的质量控制机制；在细胞水平上，保真性失衡会导致线粒体错误翻译，进而引起能量供应不足、氧化应激与细胞周期阻滞等；在动物水平上，保真性失衡会导致扩张性心肌病、心脏纤维化等。本研究为线粒体基因表达调控机制提供了新视角。

图：线粒体翻译保真性丧失导致细胞周期阻滞与心肌病

中科院分子细胞科学卓越创新中心/上科大联合培养博士研究生郑文强为本文第一作者，分子细胞科学卓越创新中心/国科大杭州高等研究院周小龙研究员和分子细胞科学卓越创新中心/上科大王恩多研究员为本文共同通讯作者。分子细胞科学卓越创新中心李劲松研究员、周斌研究员、法国CNRS Gilbert Eriani研究员参与了本研究。

链接：

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2309714120

参考文献

1. T. Suzuki, A. Nagao, T. Suzuki, Human mitochondrial tRNAs: biogenesis, function, structural aspects, and diseases. Annu Rev Genet 45, 299-329 (2011).

2. I. Vercellino, L. A. Sazanov, The assembly, regulation and function of the mitochondrial respiratory chain. Nat Rev Mol Cell Biol, 23, 141-161 (2021).

3. A. Antonellis, E. D. Green, The role of aminoacyl-tRNA synthetases in genetic diseases. Annu Rev Genomics Hum Genet 9, 87-107 (2008).

4. J. Ling, N. Reynolds, M. Ibba, Aminoacyl-tRNA synthesis and translational quality control. Annu Rev Microbiol 63, 61-78 (2009).

5. J. W. Lee et al., Editing-defective tRNA synthetase causes protein misfolding and neurodegeneration. Nature 443, 50-55 (2006).

6. Y. Liu et al., Deficiencies in tRNA synthetase editing activity cause cardioproteinopathy. Proc Natl Acad Sci U S A 111, 17570-17575 (2014).

7. G. X. Peng et al., RNA granule-clustered mitochondrial aminoacyl-tRNA synthetases form multiple complexes with the potential to fine-tune tRNA aminoacylation. Nucleic Acids Res, 50, 12951-12968 (2022).

8. N. M. Reynolds et al., Cell-specific differences in the requirements for translation quality control. Proc Natl Acad Sci U S A 107, 4063-4068 (2010).

原标题：《【学术前沿】PNAS | 周小龙/王恩多团队揭示线粒体翻译保真性失调导致细胞周期阻滞与心脏病》