廣州健康院發現線粒體基因編碼第14個蛋白質的“線粒體約定”新模式

5月3日，中國科學院廣州生物醫藥與健康研究院劉興國課題組在《細胞-代謝》（Cell Metabolism）上發表了題為A novel protein CYTB-187AA encoded by the mitochondrial gene CYTB modulates mammalian early development的研究論文。該研究發現并證實，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）可以產生一個線粒體基因編碼胞質翻譯（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”。研究進一步揭示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育。

既往研究表明，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，在能量產生中發揮了核心作用。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基本科學問題。

呼吸鏈復合物III的蛋白是由細胞核與線粒體基因分別編碼組裝形成的，其中唯一的由線粒體基因編碼的蛋白是CYTB。研究團隊發現線粒體基因CYTB的信使RNA從線粒體內出來到細胞質，使用細胞質核糖體的標準遺傳密碼編碼全新的187個氨基酸長的蛋白質CYTB-187AA。團隊制定了這一蛋白質的特異抗體。研究利用液相色譜串聯質譜鑒定了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；使用MoonTag系統可視化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CYTB-187AA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，發現CYTB-187AA僅在后者表達。

進一步，研究通過超高分辨顯微鏡，發現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決定性作用。與親本成纖維細胞或誘導多能干細胞（iPSC）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。在干細胞始發態、原始態兩種多能性狀態中，CYTB-187AA是原始態所必需的，并調控兩種狀態的轉換過程。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。該團隊建立了CYTB-187AA敲降小鼠模型，發現CYTB-187AA敲降會減少卵泡數量，從而損害雌性生育能力。

該研究發現了線粒體基因組上編碼復合物III中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；解析了線粒體基因CYTB的雙重翻譯模式，即母蛋白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蛋白相比較，線粒體基因編碼的第14個蛋白質CYTB-187AA與SLC25A3相互作用，調節能量過程，在卵子發育、著床前后等階段發揮重要作用。

研究工作得到國家自然科學基金委員會、中國科學院、廣東省、廣州市，以及國家重點研發計劃的支持。

線粒體基因CYTB編碼胞質翻譯的CYTB-187AA調控早期發育