研究发现线粒体基因编码第14个蛋白质的“线粒体约定”新模式

中国科学院广州生物医药与健康研究院刘兴国课题组在《细胞-代谢》（Cell Metabolism）上发表了题为A novel protein CYTB-187AA encoded by the mitochondrial gene CYTB modulates mammalian early development的研究论文。该研究发现并证实，除13个的线粒体基因编码的蛋白质外，线粒体基因细胞色素b（CYTB）可以产生一个线粒体基因编码胞质翻译（mPACT）的新蛋白CYTB-187AA。这一模式的英文缩写PACT具有“约定”的含义，因此将这一新模式称为“线粒体约定”。研究进一步揭示CYTB-187AA在胞质翻译后定位到线粒体基质中，通过ATP依赖的方式调控早期发育。

既往研究表明，哺乳动物的线粒体基因组包含37个基因，其中13个基因编码信使RNA翻译为蛋白质、22个编码转运RNA、2个编码核糖体RNA。线粒体基因组编码的信使RNA在内膜包裹的基质内，由线粒体核糖体翻译，形成内膜上呼吸链的13个蛋白质，在能量产生中发挥了核心作用。线粒体基因组中心法则的密码子，与细胞核在细胞质核糖体翻译的“标准密码子”存在明显不同。然而，线粒体基因组编码区是否可以使用细胞质标准遗传密码编码新的蛋白质？这是关乎中心法则的基本科学问题。

呼吸链复合物III的蛋白是由细胞核与线粒体基因分别编码组装形成的，其中唯一的由线粒体基因编码的蛋白是CYTB。研究团队发现线粒体基因CYTB的信使RNA从线粒体内出来到细胞质，使用细胞质核糖体的标准遗传密码编码全新的187个氨基酸长的蛋白质CYTB-187AA。团队制定了这一蛋白质的特异抗体。研究利用液相色谱串联质谱鉴定了CYTB-187AA的外源特征肽，在多株人、鼠的细胞中鉴定了多条匹配的内源特征肽；使用MoonTag系统可视化CYTB-187AA信使RNA在胞质核糖体的翻译，并通过Western Blot在多株人、鼠的细胞中检测到了CYTB-187AA。为了验证CYTB-187AA线粒体基因组来源，团队比较了线粒体基因组缺失细胞和野生型细胞，发现CYTB-187AA仅在后者表达。

进一步，研究通过超高分辨显微镜，发现CYTB-187AA在胞质翻译后定位到线粒体基质中，其中N端的37个氨基酸在靶向线粒体基质中起到决定性作用。与亲本成纤维细胞或诱导多能干细胞（iPSC）分化的肝细胞相比，CYTB-187AA在iPSC中的表达量更高，这暗示CYTB-187A与多能性存在重要关联。在干细胞始发态、原始态两种多能性状态中，CYTB-187AA是原始态所必需的，并调控两种状态的转换过程。机制上，CYTB-187AA通过与线粒体磷酸转运蛋白SLC25A3相互作用，以ATP依赖的方式进行调控。该团队建立了CYTB-187AA敲降小鼠模型，发现CYTB-187AA敲降会减少卵泡数量，从而损害雌性生育能力。

该研究发现了线粒体基因组上编码复合物III中CYTB基因可以使用胞质核糖体的标准遗传密码编码第14个全新蛋白质；解析了线粒体基因CYTB的双重翻译模式，即母蛋白CYTB与CYTB-187AA展示了线粒体能量的双重调控模式。与在呼吸链复合物III中的CYTB蛋白相比较，线粒体基因编码的第14个蛋白质CYTB-187AA与SLC25A3相互作用，调节能量过程，在卵子发育、着床前后等阶段发挥重要作用。

研究工作得到国家自然科学基金委员会、中国科学院、广东省、广州市，以及国家重点研发计划的支持。

线粒体基因CYTB编码胞质翻译的CYTB-187AA调控早期发育