哺乳動物細胞具有兩套蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)，即細胞質(zhì)與線粒體蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)。人線粒體基因組含有37個基因，包括2個rRNA (12S與16S)、22個tRNA以及13個蛋白質(zhì)編碼基因。線粒體翻譯機器的所有核酸組分（mRNA、rRNA、tRNA）由線粒體基因組編碼，所有的蛋白質(zhì)組分由核基因編碼，在細胞質(zhì)中合成后，由線粒體定位信號肽轉(zhuǎn)運至線粒體中發(fā)揮功能。線粒體蛋白質(zhì)合成只生產(chǎn)13種線粒體基因組編碼的蛋白質(zhì)，它們都是線粒體氧化磷酸化復合物I、III、IV、V中的核心亞基，且全部是跨膜蛋白，對于氧化磷酸化復合物組裝和發(fā)揮功能具有至關(guān)重要的作用。線粒體蛋白質(zhì)合成的速率與保真性直接控制線粒體遺傳信息傳遞的精確性、氧化呼吸鏈復合物的正確組裝與發(fā)揮功能，進而控制線粒體代謝與重大細胞生命活動。

線粒體氨基酰-tRNA合成酶（mt-aaRS）是關(guān)鍵的蛋白質(zhì)合成因子，通過催化線粒體tRNA的氨基?；磻?，為線粒體內(nèi)的蛋白質(zhì)合成提供原料。mt-aaRS基因突變可導致常染色體隱性遺傳病，其臨床表型以中樞神經(jīng)系統(tǒng)受累最為顯著，亦可累及肌肉、心臟等其他組織器官。此類疾病往往臨床診斷困難，發(fā)病機制不明，治療手段極為有限，亟待深入研究。

線粒體絲氨酰-tRNA合成酶（SARS2）催化線粒體兩種tRNA^Ser【hmtRNA^Ser(AGY)和hmtRNA^Ser(UCN)】的氨基?；磻枰貏e指出的是，其中hmtRNA^Ser(AGY)由于缺乏D-莖/環(huán)結(jié)構(gòu)，是人細胞中唯一沒有倒L型三級結(jié)構(gòu)的tRNA。目前該基因突變的病例十分罕見，已報道患者的表型主要分為兩類，一類是致死性的HUPRA綜合征，以高尿酸血癥、肺動脈高壓、腎衰竭和堿中毒為特征性表現(xiàn)；另一類主要表現(xiàn)為進行性痙攣性四肢輕癱。

該研究報道了一例SARS2基因突變患者，該患者主要表現(xiàn)為肺動脈高壓、大運動發(fā)育落后、癲癇反復發(fā)作、腦萎縮等，患者表型與已知SARS2基因突變導致的疾病既有重疊又有差異。全外顯子組測序分析顯示患者SARS2基因存在復合雜合突變，包括非經(jīng)典剪接位點突變(c.654-14T>A)和移碼突變(c.1519dupC)，均為新發(fā)現(xiàn)的突變。c.654-14T>A導致內(nèi)含子區(qū)12個堿基的滯留，進而導致在SARS2活性中心插入了4個氨基酸（該突變體命名為Ins12），而c.1519dupC 突變導致SARS2 C末端的缺失與異常延伸，置換了關(guān)鍵的C末端tRNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域（該突變體命名為dupC）。

該研究（1）通過生物化學方法詳細研究了SARS2突變體對于SARS2氨基酸活化、氨基酰化及tRNA結(jié)合能力的影響，研究發(fā)現(xiàn)Ins12不能催化兩種線粒體tRNA^Ser的氨基酰化，但尚可激活^Ser并且結(jié)合tRNA，表明活性中心4個氨基酸的插入無法將tRNA的CCA末端正確引導到催化活性位點。而dupC對兩種線粒體tRNA^Ser的氨基?；盍@著受損；同時，dupC對兩種線粒體tRNA^Ser的親和力顯著受損，表明SARS2蛋白的C末端對于tRNA^Ser的結(jié)合至關(guān)重要。（2）通過結(jié)構(gòu)生物學解析與比較了野生型SARS2與Ins12的結(jié)構(gòu)特征，并結(jié)合Alpha fold結(jié)構(gòu)模擬，揭示Ins12突變體活性中心的4個氨基酸插入破壞了SARS2的二聚化能力。（3）通過建立多個誘導性多能干細胞模型，揭示患者來源細胞中的hmtRNA^Ser(AGY) 穩(wěn)態(tài)水平顯著降低， hmtRNA^Ser(UCN)未受影響，提示hmtRNA^Ser(AGY) 的氨基?；毕輰е耯mtRNA^Ser(AGY) 更容易降解；此外，SARS2也可能作為tRNA的“分子伴侶”，通過與缺少D莖/環(huán)的hmtRNASer(AGY)結(jié)合后起到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的作用。氨基?；痟mtRNA^Ser(AGY)含量的不足進一步造成患者細胞線粒體翻譯系統(tǒng)顯著下調(diào)，并且導致線粒體呼吸鏈氧化磷酸化產(chǎn)能缺陷、糖酵解過程異常、細胞內(nèi)活性氧異常增多、細胞凋亡水平升高、線粒體自噬活躍及線粒體動態(tài)平衡失調(diào)，引起線粒體的穩(wěn)態(tài)失衡和功能障礙。（4）通過構(gòu)建Ins12與dupC小鼠模型發(fā)現(xiàn)，兩種突變的純合子及復合雜合小鼠均存在早期胚胎致死現(xiàn)象，而Sars2 Ins12與dupC雜合突變小鼠的骨骼肌組織存在兩種tRNA^Ser含量的顯著下調(diào)、線粒體翻譯受損以及線粒體形態(tài)異常。

該研究鑒定了新的導致線粒體HUPRA綜合征的SARS2點突變，擴展了SARS2缺陷相關(guān)的臨床表型；利用分子、結(jié)構(gòu)、細胞和遺傳學方法與技術(shù)手段，系統(tǒng)解析了SARS2點突變對于SARS2結(jié)構(gòu)與功能、線粒體翻譯及功能的綜合性影響，揭示hmtRNA^Ser(AGY)選擇性降解導致其穩(wěn)態(tài)水平顯著降低是SARS2基因突變導致線粒體疾病的致病機制，顯著加深了人們對mt-aaRS功能缺陷相關(guān)線粒體疾病分子機理的認識。該研究為此類疾病的臨床診斷、疾病干預與治療策略開發(fā)提供了理論基礎(chǔ)。

相關(guān)研究工作得到科學技術(shù)部、國家自然科學基金委、中科院與上海市的資助。

論文鏈接

SARS2突變導致線粒體疾病的致病機制

來源：中科院