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分子細胞科學卓越創新中心周小龍組合作揭示線粒體tRNA的選擇性降解導致HUPRA綜合征的分子機制

文章來源:分子細胞科學卓越創新中心  |  發布時間:2022-11-15  |  【打印】 【關閉

  

  11月9日,國際學術期刊Nucleic Acids Research在線發表了中國科學院分子細胞科學卓越創新中心(生物化學與細胞生物學研究所)周小龍研究組與上海兒童醫學中心王劍研究組的最新合作研究成果“Selective degradation of tRNASer(AGY) is the primary driver for mitochondrial seryl-tRNA synthetase-related disease”。

  哺乳動物細胞具有兩套蛋白質合成系統,即細胞質與線粒體蛋白質合成系統。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,所有的蛋白質組分由核基因編碼,在細胞質中合成后,由線粒體定位信號肽轉運至線粒體中發揮功能。線粒體蛋白質合成只生產13種線粒體基因組編碼的蛋白質,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揮功能具有至關重要的作用。線粒體蛋白質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)是關鍵的蛋白質合成因子,通過催化線粒體tRNA的氨基?;磻?,為線粒體內的蛋白質合成提供原料。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系統受累最為顯著,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tRNASer [hmtRNASer(AGY) & hmtRNASer(UCN)]的氨基?;磻?,需要特別指出的是,其中hmtRNASer(AGY)由于缺乏D-莖/環結構,是人細胞中唯一沒有倒L型三級結構的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;另一類主要表現為進行性痙攣性四肢輕癱。

  本研究報道了一例SARS2基因突變患者,該患者主要表現為肺動脈高壓、大運動發育落后、癲癇反復發作、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,包括非經典剪接位點突變(c.654-14T>A)和移碼突變(c.1519dupC),均為新發現的突變。c.654-14T>A導致內含子區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,置換了關鍵的C末端tRNA結合結構域(該突變體命名為dupC)。

  本研究(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?;皌RNA結合能力的影響,發現Ins12不能催化兩種線粒體tRNASer的氨基?;?,但尚可激活Ser并且結合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tRNASer的氨基?;盍@著受損;同時,dupC對兩種線粒體tRNASer的親和力顯著受損,表明SARS2蛋白的C末端對于tRNASer的結合至關重要。(2)通過結構生物學解析與比較了野生型SARS2與Ins12的結構特征,并結合Alpha fold結構模擬,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hmtRNASer(AGY) 穩態水平顯著降低, hmtRNASer(UCN)未受影響,提示hmtRNASer(AGY) 的氨基?;毕輰е耯mtRNASer(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/環的hmtRNASer(AGY)結合后起到穩定結構的作用。氨基?;痟mtRNASer(AGY)含量的不足進一步造成患者細胞線粒體翻譯系統顯著下調,并且導致線粒體呼吸鏈氧化磷酸化產能缺陷、糖酵解過程異常、細胞內活性氧異常增多、細胞凋亡水平升高、線粒體自噬活躍及線粒體動態平衡失調,引起線粒體的穩態失衡和功能障礙。(4)通過構建Ins12與dupC小鼠模型發現,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象,而Sars2 Ins12與dupC雜合突變小鼠的骨骼肌組織存在兩種tRNASer含量的顯著下調、線粒體翻譯受損以及線粒體形態異常。

  本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缺陷相關的臨床表型;利用分子、結構、細胞和遺傳學方法與技術手段,系統解析了SARS2點突變對于SARS2結構與功能、線粒體翻譯及功能的綜合性影響,揭示hmtRNASer(AGY)選擇性降解導致其穩態水平顯著降低是SARS2基因突變導致線粒體疾病的致病機制,顯著加深了我們對mt-aaRS功能缺陷相關線粒體疾病分子機理的認識。本研究為此類疾病的臨床診斷、疾病干預與治療策略開發提供了理論基礎。

  上海兒童醫學中心郁婷婷副研究員和上海兒童醫學中心-分子細胞卓越中心聯合培養博士生張儀為本文共同第一作者,上海兒童醫學中心王劍研究員和分子細胞卓越中心周小龍研究員為本文共同通訊作者。中科院有機所房鵬飛研究員參與了本研究。感謝分子細胞卓越中心王恩多研究員、上海兒童醫學中心李彥欣教授在研究過程中提供的幫助。本研究得到科技部、基金委、中科院與上海市的經費資助。

  文章鏈接:https://academic.oup.com/nar/advance-article/doi/10.1093/nar/gkac1028/6814471 

SARS2突變導致線粒體疾病的致病機制

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