來源：iNature（ID:Plant_ihuman）
人類線粒體基因組編碼氧化磷酸化系統的13個覈心亞基，線粒體基因表達缺陷會導致嚴重的神經肌肉疾病。然而，由於缺乏分析這些過程的實驗方法，線粒體基因表達的機制仍然知之甚少。
2021年10月20日，德國格丁根大學Peter Rehling團隊在Cell線上發表題為“An in vitro system to silence mitochondrial gene expression”的研究論文，該研究提出了一個體外系統來沉默純化線粒體中的翻譯。化學合成前體-嗎啉雜種的體外導入使研究人員能够靶向單個線粒體mRNA的翻譯。
通過應用這種方法，該研究發現雙順反子、重疊的ATP8/ATP6轉錄物是通過單個核糖體/mRNA參與翻譯的。該研究表明，將COX1組裝因數募集到翻譯核糖體取決於新生鏈的形成。通過定義COX1和COX2的mRNA特异性相互作用組，該研究揭示了細胞溶質IGF2BP1（一種RNA結合蛋白）在線粒體翻譯中的意外功能。該研究的數據提供了對線粒體翻譯和研究線粒體基因表達的創新策略的洞察。
線粒體通過導入核編碼蛋白和表達它們自己的基因組來塑造它們的蛋白質組。線粒體基因組編碼線粒體內膜中氧化磷酸化（OXPHOS）系統的13個覈心亞基，將能量從還原當量轉化為ATP。線粒體基因表達需要通過線粒體RNA（mRNA）聚合酶POLRMT將線粒體基因組轉錄為兩個多順反子轉錄物。初級轉錄本經過加工形成11個mRNA、2個rRNA和22個tRNA。兩個轉錄本，ATP8/ATP6和ND4L/ND4，是雙順反子的。mtPAP，線粒體聚（A）聚合酶，介導mRNA的聚腺苷酸化。這些成熟步驟被認為發生在稱為“線粒體RNA顆粒”的特定位置上，這些位置也包含核糖體成熟和RNA轉換的階段。
加工後，線粒體mRNA被膜相關的線粒體核糖體翻譯，使合成的多肽鏈共翻譯插入脂質雙層。為此，核糖體與膜中保守的OXA1L插入酶結合。新合成的線粒體編碼蛋白必須與內膜中的組裝因數相關聯，從而穩定這些多肽並保持它們能够接收輔因數和輸入的核編碼OXPHOS複合亞基。為了平衡線粒體翻譯與核編碼亞基的可用性，翻譯會對這些蛋白質的流入做出反應。停滯的核糖體新生鏈複合物似乎在這一調控過程中發揮了關鍵作用，但線粒體翻譯調控的潜在機制仍然不是很清楚。
文章模式圖（圖源自Cell）
考慮到OXPHOS對細胞功能的重要性，線粒體基因表達過程中每一步的缺陷都與人類疾病有關。大多數患者表現出神經肌肉病變，這歸因於這些組織的能量需求特別高。然而，線粒體基因表達的基本原理仍不清楚。雖然最近對線粒體POLRMT和核糖體的結構分析為研究人員提供了基因表達機制見解，但仍然缺乏對這些過程的機制以及基因表達如何綜合到細胞和線粒體環境中的理解。缺乏針對基因表達各個步驟的適當科技是推進理解的主要障礙。開發新策略的一個主要問題是將RNA轉運到線粒體中，這將使研究人員能够靶向線粒體RNA，從而干擾基因表達過程。
在這裡，該研究提出了一種體外方法來靶向線粒體mRNA的翻譯。化學合成的蛋白質-嗎啉嵌合體導入純化的線粒體，使研究人員能够特异性地封锁選定mRNA的翻譯。利用這種策略，該研究表明核糖體與內膜中蛋白質特异性組裝因數的關聯是通過新生的鏈翻譯中間體發生的。此外，該研究探索了雙順反子重疊ATP8/ATP6 mRNA的翻譯機制。
研究結果表明，單個核糖體/RNA相遇介導了ATP8和ATP6的表達。單個mRNA的沉默翻譯使研究人員能够定義OXPHOS系統的早期組裝中間體。最後，嵌合體相關mRNA的純化使該研究能够定義mRNA特异性相互作用組，並將細胞質RNA結合IGF2BP1鑒定為一種未鑒定的線粒體蛋白，它與線粒體核糖體和mRNA相互作用以調節線粒體翻譯。
參考消息：
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674（21）01116-8
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