5月3日，中國科學院廣州生物醫(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，除13個的線粒體基因編碼的蛋白質外，線粒體基因細胞色素 b (CYTB)可以產(chǎn)生一個線粒體基因編碼胞質翻譯?(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”。進一步揭示 CYTB-187AA在胞質翻譯后定位到線粒體基質中，通過ATP依賴的方式調控早期發(fā)育。
眾所周知，教科書上寫明哺乳動物的線粒體基因組包含37個基因，其中13個基因編碼信使RNA翻譯為蛋白質、22個編碼轉運RNA、2個編碼核糖體RNA。線粒體基因組編碼的信使RNA在內膜包裹的基質內，由線粒體核糖體翻譯，形成內膜上呼吸鏈的13個蛋白質，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，與細胞核在細胞質核糖體翻譯的“標準密碼子”存在明顯不同。然而，線粒體基因組編碼區(qū)是否可以使用細胞質標準遺傳密碼編碼新的蛋白質？這是關乎中心法則的最基本科學問題。
作為唯一的呼吸鏈復合物III的線粒體編碼基因，劉興國團隊針對線粒體基因細胞色素 b (CYTB)，其信使RNA出線粒體而使用胞質核糖體的標準遺傳密碼編碼全新蛋白質進行分析，并制定了這一187個氨基酸長的新蛋白質的抗體。利用液相色譜串聯(lián)質譜 (LC-MS/MS) 鑒定了CYTB-187AA的外源特征肽，在多株人、鼠的細胞中鑒定了多條匹配的內源特征肽。隨后使用 MoonTag 系統(tǒng)可視化 CYTB-187AA信使RNA 在胞質核糖體的翻譯，并通過Western Blot在多株人、鼠的細胞中檢測到了CYTB-187AA。為了驗證其線粒體基因組來源，團隊比較了線粒體基因組缺失細胞和野生型細胞，發(fā)現(xiàn) CYTB-187AA 僅在后者表達。
進一步，通過超高分辨顯微鏡，發(fā)現(xiàn)CYTB-187AA在胞質翻譯后定位到線粒體基質中，其中N端的37個氨基酸在靶向線粒體基質中起到了決定性作用。有趣的是，誘導多能干細胞（iPSC）與親本成纖維細胞或其分化的肝細胞相比，CYTB-187AA 在iPSC 中的表達量更高，這暗示CYTB-187A與多能性存在重要關聯(lián)。的確，在干細胞的始發(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，并調控兩種狀態(tài)的轉換過程。機制上，CYTB-187AA通過與線粒體磷酸轉運蛋白SLC25A3相互作用，以ATP依賴的方式進行調控。而在體內，劉興國團隊建立了 CYTB-187AA敲降小鼠模型，發(fā)現(xiàn) CYTB-187AA敲降會減少卵泡數(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個蛋白”的論斷，發(fā)現(xiàn)了線粒體基因組上編碼復合物III中細胞色素 b 的CYTB基因可以使用胞質核糖體的標準遺傳密碼編碼第14個全新蛋白質。線粒體與細胞核二十億年前相遇，開始了真核生物的進化，而進化中，兩者不同密碼子的中心法則，“與君若只如初見，動若參商終不怨”，并不是象參星和商星一樣獨立運行。 “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使用細胞核中心法則，是兩個中心法則交互事件。
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控模式。與在呼吸鏈復合物III中的?CYTB蛋白比較， 這一線粒體基因編碼的第14個蛋白質CYTB-187AA與SLC25A3相互作用，異曲同工的調節(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、中國科學院香港創(chuàng)新研究院、香港中文大學、廣州實驗室、南開大學和西湖大學等多個研究組合作完成。本研究獲國家重點研發(fā)項目、中國科學院、國家自然科學基金、廣東省和廣州市的經(jīng)費支持。
圖1?線粒體基因CYTB編碼胞質翻譯的CYTB- 187AA調控早期發(fā)育
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