5月3日，中國科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院劉興國課題組在Cell Metabolism期刊發(fā)表了題為“A novel protein CYTB-187AA encoded by the mitochondrial gene CYTB modulates mammalian early development”?的文章。該研究發(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，線粒體基因細(xì)胞色素 b (CYTB)可以產(chǎn)生一個(gè)線粒體基因編碼胞質(zhì)翻譯?(mtDNA-encoded proteins arising from cytosolic translation,mPACT) 的新蛋白CYTB-187AA，這一模式的英文縮寫PACT具有“約定”的含義，因此將這一新模式稱為“線粒體約定”。進(jìn)一步揭示 CYTB-187AA在胞質(zhì)翻譯后定位到線粒體基質(zhì)中，通過ATP依賴的方式調(diào)控早期發(fā)育。
眾所周知，教科書上寫明哺乳動(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RNA翻譯為蛋白質(zhì)、22個(gè)編碼轉(zhuǎn)運(yùn)RNA、2個(gè)編碼核糖體RNA。線粒體基因組編碼的信使RNA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。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(tuán)隊(duì)針對線粒體基因細(xì)胞色素 b (CYTB)，其信使RNA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)氨基酸長的新蛋白質(zhì)的抗體。利用液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜 (LC-MS/MS) 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-187AA信使RNA 在胞質(zhì)核糖體的翻譯，并通過Western Blot在多株人、鼠的細(xì)胞中檢測到了CYTB-187AA。為了驗(yàn)證其線粒體基因組來源，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)。
進(jìn)一步，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(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)。的確，在干細(xì)胞的始發(fā)態(tài)（Primed）-原始態(tài)(Na?ve) 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(jī)制上，CYTB-187AA通過與線粒體磷酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白SLC25A3相互作用，以ATP依賴的方式進(jìn)行調(diào)控。而在體內(nèi)，劉興國團(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。
該研究改寫了教科書中“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)胞核二十億年前相遇，開始了真核生物的進(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，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。 “奈何等閑絲未盡，我以我心為探看”，?線粒體約定，用其部分信使RNA使用細(xì)胞核中心法則，是兩個(gè)中心法則交互事件。
其次，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。
本研究與廣州醫(yī)科大學(xué)、中國科學(xué)院香港創(chuàng)新研究院、香港中文大學(xué)、廣州實(shí)驗(yàn)室、南開大學(xué)和西湖大學(xué)等多個(gè)研究組合作完成。本研究獲國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、中國科學(xué)院、國家自然科學(xué)基金、廣東省和廣州市的經(jīng)費(fèi)支持。
圖1?線粒體基因CYTB編碼胞質(zhì)翻譯的CYTB- 187AA調(diào)控早期發(fā)育
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