Adv Sci丨线粒体RNA G-四链体：调控线粒体RNA颗粒组装与氧化磷酸化的“结构刹车”

线粒体作为细胞的“能量工厂”和代谢中心，其功能高度依赖于线粒体基因组的精准表达。线粒体基因表达异常与多种疾病的发生发展密切相关【1,2】。因此，深入解析线粒体基因表达的调控机制，一直是化学、生命科学与医学领域共同关注的研究热点。

在基因的表达调控中，由富鸟嘌呤（G-rich，G）序列通过Hoogsteen氢键堆叠形成的G-四链体（G-quadruplex, G4）结构受到广泛关注。线粒体基因组中存在大量能够形成G4s的富鸟嘌呤序列，其中mtDNA中的G4s已被证实参与癌细胞能量代谢调控【3,4】。然而遗憾的是，由于没有合适的工具，至今没有办法在活细胞上对mtRNA上的G4s进行研究，对其生物功能的了解非常有限。

近日，来自中山大学药学院的谭嘉恒/陈硕斌团队在Advanced Science杂志上发表了题为Illuminating Mitochondrial RNA G-Quadruplexes as Structural Brakes on RNA Granule Assembly and OXPHOS的研究论文。该研究开发了可在活细胞层面特异性监测mtRNA G4的荧光探针MitoQUMA。借助这一工具，研究人员发现：与细胞质中RNA G4通常促进RNA颗粒组装不同，mtRNA G4反而抑制线粒体RNA颗粒（mitochondrial RNA granules，MRGs）的形成。

MRGs是一类由新生mtRNA与多种RNA结合蛋白通过液-液相分离形成的动态亚细胞结构，参与mtRNA加工、成熟及线粒体核糖体组装。进一步的化学遗传学筛选表明，Wnt/β-Catenin-GRSF1轴能够调控mtRNA G4数量以及MRG的组装，最终影响线粒体基因表达与能量代谢以及癌细胞增殖。总的来说，该研究不仅为活细胞内实时监测mtRNA G4提供了可能，更率先揭示了mtRNA G4对MRGs组装的独特作用及其细胞调控机制，为理解线粒体内的相分离现象以及相关基因表达调控和癌症治疗提供了新的视角和潜在治疗靶点。

为了能够检测mtRNA G4，研究团队以课题组前期开发的细胞质特异性RNA G4荧光探针QUMA-1为先导【5】，通过理性分子设计引入不同脂溶性以及可质子化程度的脂肪氨基侧链，成功构建了靶向线粒体的特异性探针MitoQUMA。实验证实，MitoQUMA能够在活细胞层面特异性监测mtRNA G4。

利用该探针，研究人员发现探针信号与MRG核心组分FASTKD2高度共定位，并与FASTKD2在细胞内的运动轨迹高度一致，同时伴随着融合与分裂行为。这提示mtRNA G4不仅存在于MRGs中，并且可能参与相分离驱动的MRGs的组装。然而，与细胞质RNA G4促进颗粒形成不同【6,7】，在稳定mtRNA G4水平的条件下（如高剂量MitoQUMA处理或敲低mtRNA G4解旋酶GRSF1），MRG数量显著减少。这表明mtRNA G4可能并非MRG组装的支架，而是限制其形成的关键结构因素。进一步研究显示，mtRNA G4的过度积累会阻碍RNA加工过程，导致线粒体L链转录本异常堆积，同时13个呼吸链编码基因显著下调，最终抑制线粒体呼吸功能。

为解析细胞调控mtRNA G4折叠与MRGs组装的机制，作者进一步构建基于MitoQUMA的高内涵化学遗传筛选体系，对线粒体相关信号通路抑制剂进行筛选，发现Wnt/β-Catenin通路是癌细胞在上游调控mtRNA G4并影响MRGs组装的主要信号通路。机制上，Wnt/β-Catenin通路通过调控GRSF1的表达影响mtRNA G4与MRGs数量，最终影响线粒体基因的表达及癌细胞增殖。

总的来说，该研究发展了可在活细胞层面对mtRNA G4实时示踪的特异性探针MitoQUMA，并利用该分子工具，首次揭示了mtRNA G4在MRGs组装中的作用。在此基础上，进一步自上而下地阐明了癌细胞调控mtRNA G4与MRGs形成的上游通路，并揭示了其对细胞增殖的影响，为线粒体基因表达调控和癌症研究提供了新的视角和潜在治疗靶点。

原文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202523462

制版人：十一

参考文献

[1] Suomalainen, A.; Nunnari, J., Mitochondria at the crossroads of health and disease.Cell2024, 187 (11), 2601-2627.

[2] Mercer, T. R.; Neph, S.; Dinger, M. E.; Crawford, J.; Smith, M. A.; Shearwood, A. M.; Haugen, E.; Bracken, C. P.; Rackham, O.; Stamatoyannopoulos, J. A.; Filipovska, A.; Mattick, J. S., The human mitochondrial transcriptome.Cell2011, 146 (4), 645-658.

[3] Chen, X.-C.; Tang, G.-X.; Luo, W.-H.; Shao, W.; Dai, J.; Zeng, S.-T.; Huang, Z.-S.; Chen, S.-B.; Tan, J.-H., Monitoring and modulating mtDNA G-Quadruplex dynamics reveal its close relationship to cell glycolysis.J. Am. Chem. Soc.2021, 143 (49), 20779-20791.

[4] Huang, W. C.; Tseng, T. Y.; Chen, Y. T.; Chang, C. C.; Wang, Z. F.; Wang, C. L.; Hsu, T. N.; Li, P. T.; Chen, C. T.; Lin, J. J.; Lou, P. J.; Chang, T. C., Direct evidence of mitochondrial G-quadruplex DNA by using fluorescent anti-cancer agents.Nucleic Acids Res.2015, 43 (21), 10102-10113.

[5] Chen, X. -C.; Chen, S. -B.; Dai, J.; Yuan, J. -H.; Ou, T. -M.; Huang, Z. -S.; Tan, J. -H., Tracking the dynamic folding and unfolding of RNA G-quadruplexes in live cells.Angew Chem. Int. Ed. Engl.2018, 57 (17), 4702-4706.

[6] Jourdain, A. A.; Koppen, M.; Wydro, M.; Rodley, C. D.; Lightowlers, R. N.; Chrzanowska-Lightowlers, Z. M.; Martinou, J. C., GRSF1 regulates RNA processing in mitochondrial RNA granules.CellMetab.2013, 17 (3), 399-410.

[7] Matsuo, K.; Asamitsu, S.; Maeda, K.; Suzuki, H.; Kawakubo, K.; Komiya, G.; Kudo, K.; Sakai, Y.; Hori, K.; Ikenoshita, S.; Usuki, S.; Funahashi, S.; Oizumi, H.; Takeda, A.; Kawata, Y.; Mizobata, T.; Shioda, N.; Yabuki, Y., RNA G-quadruplexes form scaffolds that promote neuropathological alpha-synuclein aggregation.Cell2024, 187 (24), 6835-6848.

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