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5月3日，中國科學(xué)院廣州生物醫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)現并證實(shí)，除13個(gè)的線(xiàn)粒體基因編碼的蛋白質(zhì)外，線(xiàn)粒體基因細胞色素 b (CYTB)可以產(chǎn)生一個(gè)線(xiàn)粒體基因編碼胞質(zhì)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(xiě)PACT具有“約定”的含義，因此將這一新模式稱(chēng)為“線(xiàn)粒體約定”。進(jìn)一步揭示 CYTB-187AA在胞質(zhì)翻譯后定位到線(xiàn)粒體基質(zhì)中，通過(guò)ATP依賴(lài)的方式調控早期發(fā)育。

眾所周知，教科書(shū)上寫(xiě)明哺乳動(dòng)物的線(xiàn)粒體基因組包含37個(gè)基因，其中13個(gè)基因編碼信使RNA翻譯為蛋白質(zhì)、22個(gè)編碼轉運RNA、2個(gè)編碼核糖體RNA。線(xiàn)粒體基因組編碼的信使RNA在內膜包裹的基質(zhì)內，由線(xiàn)粒體核糖體翻譯，形成內膜上呼吸鏈的13個(gè)蛋白質(zhì)，在能量產(chǎn)生中發(fā)揮了核心作用。線(xiàn)粒體基因組中心法則的密碼子，與細胞核在細胞質(zhì)核糖體翻譯的“標準密碼子”存在明顯不同。然而，線(xiàn)粒體基因組編碼區是否可以使用細胞質(zhì)標準遺傳密碼編碼新的蛋白質(zhì)？這是關(guān)乎中心法則的最基本科學(xué)問(wèn)題。

作為唯一的呼吸鏈復合物III的線(xiàn)粒體編碼基因，劉興國團隊針對線(xiàn)粒體基因細胞色素 b (CYTB)，其信使RNA出線(xiàn)粒體而使用胞質(zhì)核糖體的標準遺傳密碼編碼全新蛋白質(zhì)進(jìn)行分析，并制定了這一187個(gè)氨基酸長(cháng)的新蛋白質(zhì)的抗體。利用液相色譜串聯(lián)質(zhì)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 系統可視化 CYTB-187AA信使RNA 在胞質(zhì)核糖體的翻譯，并通過(guò)Western Blot在多株人、鼠的細胞中檢測到了CYTB-187AA。為了驗證其線(xiàn)粒體基因組來(lái)源，團隊比較了線(xiàn)粒體基因組缺失細胞和野生型細胞，發(fā)現 CYTB-187AA 僅在后者表達。

進(jìn)一步，通過(guò)超高分辨顯微鏡，發(fā)現CYTB-187AA在胞質(zhì)翻譯后定位到線(xiàn)粒體基質(zhì)中，其中N端的37個(gè)氨基酸在靶向線(xiàn)粒體基質(zhì)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(guān)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(guò)程。機制上，CYTB-187AA通過(guò)與線(xiàn)粒體磷酸轉運蛋白SLC25A3相互作用，以ATP依賴(lài)的方式進(jìn)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 CYTB-187AA敲降會(huì )減少卵泡數量，從而損害雌性生育能力。

該研究改寫(xiě)了教科書(shū)中“線(xiàn)粒體基因組編碼13個(gè)蛋白”的論斷，發(fā)現了線(xiàn)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(zhì)核糖體的標準遺傳密碼編碼第14個(gè)全新蛋白質(zhì)。線(xiàn)粒體與細胞核二十億年前相遇，開(kāi)始了真核生物的進(jìn)化，而進(jìn)化中，兩者不同密碼子的中心法則，“與君若只如初見(jiàn)，動(dòng)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(xiàn)粒體約定，用其部分信使RNA使用細胞核中心法則，是兩個(gè)中心法則交互事件。

其次，線(xiàn)粒體基因 CYTB?的雙重翻譯模式：母蛋白 CYTB 與CYTB-187AA展示了線(xiàn)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(xiàn)粒體基因編碼的第14個(gè)蛋白質(zhì)CYTB-187AA與SLC25A3相互作用，異曲同工的調節能量過(guò)程，在卵子發(fā)育、著(zhù)床前后等早期發(fā)育中發(fā)揮重要作用。

本研究與廣州醫科大學(xué)、中國科學(xué)院香港創(chuàng )新研究院、香港中文大學(xué)、廣州實(shí)驗室、南開(kāi)大學(xué)和西湖大學(xué)等多個(gè)研究組合作完成。本研究獲國家重點(diǎn)研發(fā)項目、中國科學(xué)院、國家自然科學(xué)基金、廣東省和廣州市的經(jīng)費支持。

論文鏈接

圖1?線(xiàn)粒體基因CYTB編碼胞質(zhì)翻譯的CYTB- 187AA調控早期發(fā)育