Nature | 线粒体靶向序列在应激信号传递中的直接作用

撰文 | 阿童木

线粒体是能量代谢与细胞信号整合的核心细胞器， 其功能建立在一个高度组织化的蛋白质组之上 。已鉴定的线粒体蛋白超过一千种，但其中绝大多数并非在线粒体内合成，而是在细胞质核糖体上翻译完成后，再被定向转运进入线粒体。为实现这一跨膜运输，这些前体蛋白通常携带一段由 15–55 个氨基酸组成的 N 端 线粒体靶向序列 （前序列），作为定位信号，引导其识别并进入线粒体【1】。

蛋白质导入主要依赖线粒体外膜与内膜上的转位酶复合物TOM和TIM。前体蛋白首先经TOM复合物穿越外膜，再通过 T IM通道进入线粒体基质，随后其前序列被剪切去除，完成成熟。 这一过程需要持续的能量输入，而非简单的被动扩散 。其中，基质侧的 ATP 依赖性 Hsp70 分子马达在 TIM 复合物的协同下提供牵引力，确保多肽链的完全转运【2】。

线粒体蛋白转运效率下降时，未完成转运的前体蛋白会在细胞质或线粒体表面积累，既削弱线粒体蛋白供给，也引发蛋白毒性并扰乱整体稳态 。 相关研究表明，细胞可通过抑制翻译、增强蛋白质量控制以及激活线粒体特异性应激通路（如UPR mt ）来缓冲这一压力【3】。然而，线粒体蛋白转运受损如何被感知，并进一步转化为细胞核内的转录响应，长期缺乏清晰的分子机制解析。

近期研究发现， 转运受阻的前体蛋白会滞留在TOM复合物中，形成堵塞的转位中间体。细胞依赖 ATP酶Cdc48（p97）及外膜 AAA 蛋白酶Msp1（ATAD1）将这些多肽从转位通道中提取并清除。在出芽酵母中，Msp1被高效募集至受阻TOM复合物，依赖应激诱导的适配蛋白Cis1【4】。CIS1是线粒体蛋白转运压力监控通路（mitoCPR）的核心靶基因，其转录受转录因子Pdr3 调控。然而，Pdr3 在该通路中的上游激活信号一直缺乏直接证据。

近日，不列颠哥伦比亚大学 Hilla Weidberg 实验室等在

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A direct role for a mitochondrial targeting sequence in signalling stress

作者通过全基因组过表达筛选发现，多种线粒体基因过表达可激活mitoCPR报告系统，但大多通过诱导转运障碍间接起效：当其N端被标记、导入受阻时，激活效应随之消失。唯独Mge1在N端被标记后仍能强烈诱导CIS1及其他Pdr3靶基因，且这一效应严格依赖Pdr3。与对照线粒体蛋白不同，过表达的Mge1部分定位于细胞核，而其他可在转运压力下入核的线粒体前体即便过表达，也无法激活mitoCPR。这一系列观察提示， 未转运的Mge1本身即可在细胞核中驱动 Pdr3 依赖的转录应答。

随后，作者将这一机制回到内源性转运压力条件下进行验证。在 Psd1 过表达或 rho ⁻ /rho⁰ 模型中， Mge1 前体明显积累并特异定位于细胞核，而成熟形式主要分布于线粒体。该核定位依赖 N 端靶向序列及 importin-β 家族成员 Kap123 。应激条件下， Mge1 前体可与 Pdr3 特异结合，而不与 Pdr1 互作；且仅前体而非成熟蛋白参与该过程。染色质免疫沉淀显示， Mge1 前体通过 Pdr3 被募集至 CIS1 启动子区域，并在 Pdr3 缺失时完全消失。同时， Pdr3 结合可延长 Mge1 前体半衰期，避免其被蛋白酶体降解。这些证据表明， 在导入缺陷下，Mge1前体进入细胞核并在染色质水平激活mitoCPR 。

由于Mge1为必需基因，作者利用生长素诱导降解系统选择性耗竭Mge1前体，发现 CIS1的应激上调显著受阻。将Mge1前体锚定于质膜，或融合核输出信号阻止其核内积累，同样抑制mitoCPR激活。Pdr3互作组质谱分析显示，在转运压力下唯一显著富集的互作蛋白为Mge1，而其他线粒体前体并未达到显著性。压力解除后，Mge1前体及CIS1表达在数小时内逐步恢复，表明该通路具有可逆性。由此可以确定， 未导入的Mge1前体是Pdr3激活所必需且具有特异性的调控因子。

进一步分析显示，信号功能本身来自Mge1的N端线粒体靶向序列。缺失该序列的Mge1无法激活mitoCPR，即使强制定位于细胞核亦无效；相反，单独表达该靶向序列并融合 mCherry已足以诱导CIS1上调并激活完整的Pdr3依赖转录程序，其表达谱与Psd1过表达高度相似。在基因组水平将Mge1原生靶向序列替换为Su9或Ilv2的嵌合菌株中，细胞存活不受影响，但mitoCPR激活能力完全丧失。Ilv2替换的前体虽能入核，却不与Pdr3结合；Su9替换则几乎不产生可检测的前体。在多种转运缺陷模型中，这一结果保持一致，表明 Mge1的原生靶向序列是线粒体蛋白转运压力下的核信号传递和Pdr3激活的关键 。

尽管Mge1前序列整体保守性不高，其N端前25个残基在酵母中相对保守，其中前20个氨基酸单独表达即可在不影响蛋白转运的情况下诱导mitoCPR，且完全依赖Pdr3。AlphaFold3预测显示，该短螺旋通过R2、R10与Pdr3的负电口袋形成离子相互作用，F4 嵌入疏水腔体增强特异性。点突变R2Q、R10Q或F4A的前体虽能积累并入核，却无法恢复mitoCPR激活，证明 上述残基对其与Pdr3结合和mitoCPR信号传递至关重要 。

综上所述， 本研究 揭示了一种此前未被认识的线粒体—细胞核通讯模式：线粒体靶向序列不仅是蛋白导入的定位信号，还可在转运受阻时作为应激信息载体，被细胞核直接读取。Mge1的未导入前体依赖其原生靶向序列进入细胞核，并通过与Pdr3的特异互作，在染色质层面激活mitoCPR转录程序 。这一研究明确了 mitoCPR 的信号起点，并将线粒体靶向肽纳入跨细胞器应激信号传递的调控框架。

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09834-x

制版人： 十一

参考文献

1. Endo, T. & Wiedemann, N. Molecular machineries and pathways of mitochondrial protein transport.Nat. Rev. Mol. Cell Biol.https://doi.org/10.1038/s41580-025-00865-w (2025).

2. Craig, E. A. Hsp70 at the membrane: driving protein translocation.BMC Biol.16, 11 (2018).

3. Pfanner, N., den Brave, F. & Becker, T. Mitochondrial protein import stress.Nat. Cell Biol.27, 188–201 (2025).

4. Weidberg, H. & Amon, A. MitoCPR — a surveillance pathway that protects mitochondria in response to protein import stress.Science360, eaan4146 (2018).

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