分子细胞卓越中心揭示人线粒体tRNAt6A修饰对线粒体基因表达调控的多重作用

1月16日，中国科学院分子细胞科学卓越创新中心研究员周小龙、王恩多团队在《核酸研究》（Nucleic Acids Research）上，发表了题为Multifaceted roles of t⁶A biogenesis in efficiency and fidelity of mitochondrial gene expression的研究成果。该工作揭示了人线粒体转移核糖核酸（tRNA）N⁶-苏氨酰基甲腺苷酸（t⁶A）修饰对线粒体基因表达调控的多重作用。

tRNA在细胞内所有核酸分子中含有最多的转录后修饰，这些化学修饰对于稳定tRNA的结构和功能十分重要。其中，t⁶A修饰高度保守，仅发生在解码ANN（N = A, T, G, C）密码子的tRNA的37位腺嘌呤（t⁶A37）上。人线粒体tRNA t⁶A37修饰由YRDC与OSGEPL1共同催化完成。研究团队前期工作已经阐释OSGEPL1催化t⁶A37修饰的生化基础，但t⁶A37修饰在哺乳动物线粒体mRNA翻译过程中发挥的功能尚不清楚。

在该研究中，研究人员通过CRISPR-Cas9技术在HEK293T细胞上构建了敲除OSGEPL1基因的KO细胞系，发现t⁶A37修饰的缺失会专一地上调线粒体tRNA^Thr和tRNA^Lys上第9位N¹-甲基腺嘌呤（m¹A9）和第10位N²-甲基鸟嘌呤（m²G10）修饰；此外，缺失t⁶A37修饰也会专一地下调线粒体tRNA^Thr和tRNA^Lys的氨基酰化水平。通过分离线粒体氧化磷酸化超复合物并进行蛋白质质谱分析，研究人员发现t⁶A37修饰的缺失会使临近的U36不仅与mRNA上密码子的第1位A配对，还错误识别密码子第一位的其他非对应核苷酸（G/C/U），导致多种线粒体遗传密码被错误解码。线粒体翻译效率及保真性的下降导致线粒体氧化磷酸化复合物含量及活力下降，并进一步导致线粒体结构及功能的异常、激活线粒体非折叠蛋白质反应（UPR^mt）。研究人员进一步构建了Osgepl1全身敲除的小鼠并重点研究了该小鼠的心脏功能，发现Osgepl1-KO小鼠心脏线粒体编码的Mt-Cox2和Mt-Cox3的表达量显著下降，但这一变化还不足以影响心脏线粒体氧化磷酸化复合物的组装，也没有对Osgepl1-KO小鼠的心脏功能及寿命产生明显影响。

该研究发现线粒体tRNA t⁶A37修饰与m¹A9，m²G10修饰的协同调控，系统揭示t⁶A37修饰对线粒体tRNA氨基酰化水平的影响，阐明线粒体tRNA t⁶A37修饰缺失影响线粒体密码子解码保真性失调的机制。以上结果加深了人们对线粒体tRNA修饰的生物学功能的认识。

相关研究工作得到科学技术部、国家自然科学基金委、中国科学院、上海市科学技术委员会的支持。

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