Science：利用人类线粒体mRNA结构组揭示人类线粒体中的基因表达机制

Science：利用人类线粒体mRNA结构组揭示人类线粒体中的基因表达机制

线粒体是细胞的能量工厂，其基因表达机制对于维持生命活动至关重要。最近，来自迈阿密大学和哈佛医学院的研究团队在Science期刊上发表了一项重要研究，揭示了人类线粒体mRNA的结构组及其在基因表达调控中的作用。

人类线粒体基因组（mtDNA）的表达为催化有氧能量转移并维持生命的氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）酶复合物提供了 13 个重要的蛋白亚基。人类mtDNA 是一个 16.569Kb 的双链分子，有重链（H）和互补的轻链（L）。人类mtDNA的转录几乎横跨其整个长度，产生两个长的多顺反子转录本（polycistronic transcript），这两个多顺反子转录本经过处理后产生 11 个成熟的 mRNA，此外仍有两个转录单位仍未经过处理，以双顺反子元件形式存在，包含重叠的和-1 移位的开放阅读框（ORF），用以编码 ATP8 和 ATP6 或 ND4L 和 ND4。人类mtDNA还编码线粒体核糖体中合成这些蛋白所需的两种核糖体 RNA（12S rRNA和 16S rRNA）和 22 种转移 RNA（tRNA）。

在过去的五十年中，有关 mtDNA 转录和线粒体信使 RNA（mt-mRNA）稳定性、加工、修饰和翻译的分子机制已逐渐被描述出来，并且仍然是研究的热点。然而，科学家们对 mt-mRNA 折叠结构组（structurome）的了解非常有限，这阻碍了人们对 mtDNA 基因表达及其调控的机理了解。

获取完整线粒体内的 mRNA 结构数据对于了解其生物背景至关重要。为此，来自迈阿密大学和哈佛医学院的研究人员在一项新的研究中改进了一种利用硫酸二甲酯（DMS）对 mRNA 结构进行化学探测的方法，其中硫酸二甲酯可将腺嘌呤和胞嘧啶未配对且可触及的碱基配对面甲基化。线粒体硫酸二甲酯突变分析测序（mitochondrial DMS mutational profiling with sequencing, mitoDMS-MaPseq）是一种高通量、全基因组 RNA 结构探测策略，它利用了一种高保真、进行性的第二组反转录酶（thermostable group II reverse transcriptase, TGIRT），该酶可将 RNA 中的硫酸二甲酯修饰转化为互补 DNA 中的错配。然后将 DMS 反应信息用作基于热力学的 RNA 折叠算法的约束条件，从而获得高精度的二级结构模型。

人类线粒体mRNA折叠图谱揭示了基因表达的机制。图片来自Science, 2024, doi:10.1126/science.adm9238

在建立了可重复和准确的 mitoDMS-MaPseq 方法后，这些作者研究了功能性人类线粒体内的 mt-mRNA 结构。他们使用了从野生型细胞和缺乏LRPPRC蛋白的细胞中分离出来的线粒体，其中LRPPRC 是 mt-mRNA 稳定性、多腺苷酸化和翻译的关键调节因子。他们的比较分析扩展到体外合成和折叠的mt-mRNA。

他们的研究结果阐明了 LRPPRC作为一种保持酶（holdase）有助于维持 mt-mRNA 折叠和高效翻译。对野生型线粒体中mt-mRNA 结构的深入认识和代谢标记揭示了基因表达的潜在机制。它们包括 mRNA 编程的翻译暂停，以支持 COX1（一种具有多个跨膜结构域的疏水性蛋白）的合成，以及 mRNA 程序性核糖体和随后发生的终止-再起始事件以协调双顺反子ATP8/6 转录本中两个 ORF 的翻译。此外，通过使用聚类算法 DREEM（使用期望最大化方法检测 RNA 折叠结构），他们确定了每个转录本所采用的共存替代构象，从而捕捉到了 mt-mRNA 折叠在结构集合体中的动态性质。

综上所述，这些研究结果确定了 mt-mRNA 的折叠图谱，为线粒体基因表达的转录后调控提供了新的见解。此外，这些作者还提出了一种策略，可以研究不同细胞和组织中的 mt-mRNA 折叠及其在发育、疾病和衰老过程中调控线粒体基因表达的作用。

参考资料：
J. Conor Moran et al.The human mitochondrial mRNA structurome reveals mechanisms of gene expression. Science, 2024, doi:10.1126/science.adm9238.