科学家首次发现线粒体基因编码第14个蛋白质

5月3日，《细胞—代谢》（Cell Metabolism）刊发了中国科学院广州生物医药与健康研究院研究员刘兴国团队与合作者最新研究成果。他们改写了教科书中“线粒体基因组编码13个蛋白”的论断，首次发现线粒体基因编码第14个蛋白质的“线粒体约定”新模式。

“我们在研究中发现并证明了线粒体基因细胞色素b（CYTB）可编码一个新的线粒体基因编码胞质翻译蛋白CYTB-187AA，并首次提供了基因编码胞质翻译蛋白存在的质谱证据，进一步表明CYTB-187AA在哺乳动物的早期发育中发挥重要作用。”论文通讯作者刘兴国对《中国科学报》表示。

改写线粒体基因编码教科书

在细胞中，有许许多多的细胞器，像是不同的车间，有秩序的进行生命活动，维持整个细胞的运转。其中，线粒体是一种特殊的细胞器，它们具有自己的DNA，称为线粒体DNA。“线粒体很小，容纳的线粒体DNA也小，只包含37个基因。”刘兴国表示。

众所周知，教科书上写明哺乳动物的线粒体基因组包含37个基因，其中13个基因编码信使核糖核酸翻译为蛋白质、22个编码转运核糖核酸、2个编码核糖体核糖核酸。这些基因各司其职，有的编码核糖体核糖核酸，有的编码转移核糖核酸，有的可以编码蛋白质。

线粒体基因CYTB编码胞质翻译的CYTB-187AA调控早期发育。刘兴国供图

“线粒体基因组编码的信使核糖核酸在内膜包裹的基质内，由线粒体核糖体翻译，形成内膜上呼吸链的13个蛋白质，在能量产生中发挥了核心作用。”刘兴国表示，细胞核里储存我们重要的基因组。基因组进行转录和翻译，逐渐构建出我们个体的主要成分，是我们最根本的生命物质。

那么，线粒体基因组线粒体DNA也会进行转录和翻译吗？答案是肯定的。

线粒体基因组中心法则的密码子，与细胞核在细胞质核糖体翻译的“标准密码子”存在明显不同。然而，线粒体基因组编码区是否可以使用细胞质标准遗传密码编码新的蛋白质？这是关乎中心法则的最基本科学问题。

作为唯一的呼吸链复合物III的线粒体编码基因，刘兴国团队针对CYTB，其信使核糖核酸出线粒体而使用胞质核糖体的标准遗传密码编码全新蛋白质进行分析，并制定了这一187个氨基酸长的新蛋白质的抗体。

他们利用液相色谱串联质谱鉴定了CYTB-187AA的外源特征肽，在多株人、鼠的细胞中鉴定了多条匹配的内源特征肽。随后使用MoonTag系统可视化CYTB-187A信使核糖核酸在胞质核糖体的翻译，并通过Western Blot在多株人、鼠的细胞中检测到了CYTB-187AA。

为了验证其线粒体基因组来源，团队比较了线粒体基因组缺失细胞和野生型细胞，发现CYTB-187AA仅在后者表达。“我们在敲降小鼠模型中，发现CYTB-187AA的减少会减少卵泡数量，从而损害雌性的生育能力。”刘兴国说。

首次发现线粒体基因新编码

记者了解到，刘兴国团队与合作者改写了教科书中“线粒体基因组编码13个蛋白”的论断，发现了线粒体基因组上编码复合物III中细胞色素b的CYTB基因可以使用胞质核糖体的标准遗传密码编码第14个全新蛋白质。

线粒体与细胞核20亿年前相遇，开始了真核生物的进化，而进化中，两者不同密码子的中心法则，“与君若只如初见，动若参商终不怨”，并不是象参星和商星一样独立运行。“奈何等闲丝未尽，我以我心为探看”，线粒体约定，用其部分信使核糖核酸使用细胞核中心法则，是两个中心法则交互事件。

此外，线粒体基因CYTB的双重翻译模式：母蛋白CYTB与CYTB-187AA展示了线粒体能量的双重调控模式。与在呼吸链复合物III中的CYTB蛋白比较，这一线粒体基因编码的第14个蛋白质CYTB-187AA与SLC25A3相互作用，异曲同工的调节能量过程，在卵子发育、着床前后等早期发育中发挥重要作用。

在干细胞的始发态-原始态的两种多能性状态中，CYTB-187AA是原始态所必需的，并调控两种状态的转换过程。机制上，CYTB-187AA通过与线粒体磷酸转运蛋白SLC25A3相互作用，通过能量通用货币“三磷酸腺苷”依赖的方式进行调控。而在体内，刘兴国团队建立了CYTB-187AA敲降小鼠模型，发现CYTB-187AA敲降会减少卵泡数量，从而损害雌性生育能力。

进一步，刘兴国团队通过超高分辨显微镜，发现CYTB-187AA在胞质翻译后定位到线粒体基质中，其中N端的37个氨基酸在靶向线粒体基质中起到了决定性作用。有趣的是，诱导多能干细胞（iPSC）与亲本成纤维细胞或其分化的肝细胞相比，CYTB-187AA在iPSC中的表达量更高，这暗示CYTB-187A与多能性存在重要关联。

“我们在研究中发现并证实，除13个的线粒体基因编码的蛋白质外，线粒体CYTB可以产生一个线粒体基因编码胞质翻译的新蛋白CYTB-187AA。”刘兴国表示，该模式的英文缩写PACT具有“约定”的含义，因此将这一新模式称为“线粒体约定”。同时揭示了CYTB-187AA在胞质翻译后定位到线粒体基质中，通过“三磷酸腺苷”依赖的方式调控早期发育。

上述研究由中国科学院广州生物医药与健康研究院与广州医科大学、中国科学院香港创新研究院、香港中文大学、广州实验室、南开大学和西湖大学等多个研究组合作完成，并得到国家重点研发项目、中国科学院、国家自然科学基金、广东省和广州市的经费支持。

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.cmet.2024.04.012