改写教科书，刘兴国团队首次揭示第 14 个线粒体基因编码蛋白

来源：丁香学术

导读

线粒体不仅是细胞的能量工厂，还参与了细胞信号传导、凋亡调节和多种生物合成途径。特别是，线粒体 DNA（mtDNA）编码的蛋白质和 RNA 分子在调控细胞命运和应对代谢应激中扮演着关键角色。线粒体基因组通常被认为包含 37 个基因，包括 13 个编码蛋白质的基因、22 个编码转运 RNA（tRNA）的基因和 2 个编码核糖体 RNA（12S 和 16S rRNAs）的基因。然而，之前尚未认识到或探索 13 个线粒体基因编码的 mRNA 由细胞质核糖体翻译的可能性。

2024 年 5 月 3 日，来自中国科学院广州生物医药与健康研究院的刘兴国团队在Cell Metabolism上在线发表题为「A novel protein CYTB-187AA encoded by the mitochondrial gene CYTB modulates mammalian early development」的论文，研究团队发现了一种新的线粒体蛋白 CYTB-187AA，它由线粒体基因 CYTB 编码，即由胞浆翻译产生的mtDNA编码蛋白质（mPACT）。通过对 CYTB-187AA 的功能研究，研究人员发现它在线粒体中的主要定位，并在调节 ATP 产生、促进多能干细胞从 primed 到 naive 的转换（PNT），以及在调节小鼠卵巢滤泡数量和生育力方面起着重要作用。总之，本工作首次发现了线粒体 mRNA 的新型 mPACT 模式，并证明了 mtDNA 编码的第 14 个蛋白质的生理功能。

图 1：相关研究（图源：Cell Metabolism）

主要研究内容

1、一种新的由 mtDNA 基因编码的 CYTB-187AA 蛋白主要定位于线粒体基质

研究者使用开放阅读框（ORF）查找器发现了一个由线粒体基因 CYTB 编码的新蛋白质 CYTB-187AA，这个蛋白质使用标准遗传密码在线粒体之外的细胞质中进行翻译。通过质谱分析和特制的单克隆抗体，发现它在多种物种中保守，且在线粒体中高度表达，特别是在诱导多能干细胞（iPSCs）中。为了验证 CYTB-187AA 的线粒体起源，研究者通过对核线粒体假基因（NUMTs）的分析和使用抑制剂阻断 mtDNA 复制及转录，证明了 CYTB-187AA 真正源自 mtDNA 而非 NUMTs。此外，研究者们通过在 293T 和 HeLa 细胞系中过表达带有标签的 CYTB-187AA，并使用靶向线粒体的荧光蛋白，观察到 CYTB-187AA 主要位于线粒体内，进一步利用超分辨率结构光照明显微镜技术，明确了 CYTB-187AA 与线粒体基质共定位，而非定位在线粒体外膜。

图 2：CYTB 编码区中的 ORF 使用标准遗传密码编码一种新型蛋白质 CYTB-187AA（图源：Cell Metabolism）

2、CYTB-187AA 在初始多能细胞中表达并参与 PNT

研究表明 CYTB-187AA 在诱导多能干细胞（iPSCs）中的表达量较 iPSCs 衍生的肝细胞更高，暗示其与多能性相关。通过比较小鼠胚胎干细胞（ESCs，代表 naive 多能性）和上胚层干细胞（EpiSCs，代表 primed 多能性），发现 CYTB-187AA 在 ESCs 中表达更高。进一步通过敲低和过表达 CYTB-187AA 的实验，发现 CYTB-187AA 能促进从 primed 到 naive 的转换（PNT）。

图 3：CYTB-187AA 促进 PNT（图源：Cell Metabolism）

3、CYTB-187AA 与 SLC25A3 相互作用以 ATP 依赖性方式促进 PNT

为了阐明 CYTB187AA 对 PNT 的潜在调节机制，研究者通过免疫共沉淀实验（coIP）和质谱分析，研究者发现 CYTB-187AA 与线粒体磷酸盐载体 SLC25A3 有相互作用。CYTB-187AA 的敲低会减少 EpiSCs 中的 SLC25A3 表达，而 SLC25A3 的过表达可以挽救 CYTB-187AA 敲低引起的 PNT 抑制效应。此外，ATP 水平在 naive 阶段比 primed 阶段高，且 CYTB-187AA 敲低会降低 EpiSCs 的 ATP 水平，表明 CYTB-187AA 通过与 SLC25A3 的相互作用以 ATP 依赖的方式促进 PNT。

图 4：CYTB-187AA 与 SLC25A3 相互作用促进 PNT（图源：Cell Metabolism）

4、CYTB-187AA 通过卵泡调节雌性小鼠的生育能力

研究者通过 CRISPR-Cas9 系统生成了 CYTB-187AA 沉默的转基因敲入小鼠模型（H11-shCYTB-187AA），来研究 CYTB-187AA 功能缺失对小鼠生理功能的影响。通过比较不同基因型的小鼠（WT/WT，WT/sh187 和 sh187/sh187）的生育力，研究发现 CYTB-187AA 沉默的雌性小鼠（WT/sh187 和 sh187/sh187）与野生型（WT/WT）相比，生育力有所下降。进一步通过卵巢组织病理学检查，研究者发现 CYTB-187AA 敲低的小鼠卵巢中滤泡的数量减少，表明 CYTB-187AA 通过调节卵巢滤泡的数量，从而调控雌性小鼠的生育力。

图 5：敲低 CYTB-187AA 会降低雌性小鼠的生育能力（图源：Cell Metabolism）

总结

本研究发现 CYTB-187AA 使用标准遗传密码在线粒体之外的细胞质中翻译，主要定位于线粒体基质，而这一发现也改写了「线粒体基因组编码 13 个蛋白」的认知，至此，CYTB-187AA 可以通过 mPACT 模式，成为第 14 个由 mtDNA 编码的蛋白。

通讯作者

刘兴国

中国科学院广州生物医药与健康研究院博导，国家自然科学基金杰出青年获得者，国家重点研发计划项目负责人，国家自然科学基金优秀青年获得者，中科院人才计划获得者，广东省自然科学杰出青年基金获得者，广东省特支计划中青年科技领军人才。获得 2016 年干细胞青年研究员奖，国际生物物理学会评为「2011 Young Bioenergeticist Award」，任亚洲线粒体研究与医学学会常务理事。

参考资料：

[1] Hu ZJ et al. A novel protein CYTB-187AA encoded by the mitochondrial gene CYTB modulates mammalian early development. 2024.

图片来源：图虫创意

投稿合作：shanglutong@dxy.cn