線粒體翻譯損傷通過激活線粒體UPR延長線蟲壽命

近日，《氧化還原生物學》（Redox Biology）在線發表了中國科學院分子細胞科學卓越創新中心研究員周小龍研究組與中國科學院生物物理研究所研究員陳暢研究組的合作研究成果Mitochondrial translational defect extends lifespan in C. elegans by activating UPR^mt。 該工作鑒定了首例由一個編碼基因，通過mRNA翻譯重起始產生細胞質與線粒體兩種蘇氨酰-tRNA合成酶（ThrRS），揭示線粒體翻譯缺陷通過激活線粒體未折疊蛋白反應（UPR^mt）延長線蟲壽命，同時揭示氨基酰-tRNA合成酶（aaRS）缺陷相關線粒體翻譯功能受損激活UPR^mt具有普遍性與物種間的保守性。

　　真核生物有至少兩套蛋白質合成系統，需用至少兩套aaRS。通常情況下，兩套核基因編碼細胞質與線粒體aaRS。由一種基因編碼兩種aaRS的情況相對較少，且具體機制尚待深入研究。線粒體作為半自主性細胞器，有其自身的基因組（mtDNA），負責編碼少量對于線粒體氧化磷酸化復合物關鍵的蛋白質亞基，在線粒體發生、結構與功能調控方面具有重要作用。由于線粒體在細胞能量供應、代謝調控及命運決定中的核心作用，人類線粒體蛋白質合成紊亂常導致包括神經退行性疾病、心臟病、肌無力、癲癇、耳聾、生殖缺陷等多組織器官受累的疾病表型，統稱為線粒體腦肌病。但是線粒體蛋白質合成對于其他真核模式生物的生物學功能了解較少。

　　該研究中，研究人員分析了線蟲（C. elegans）ThrRS的基因與蛋白質形式，發現線蟲只有一個潛在的ThrRS基因tars-1，但卻注釋兩種不同長度的ThrRS；通過RT-PCR以及5’-RACE方法證明，在線蟲體內，只有一種tars-1 mRNA，可能利用翻譯重起始產生兩種形式的ThrRS；利用在哺乳動物細胞中的熒光定位實驗，明確長形式ThrRS（CeThrRS-1）與短形式ThrRS（CeThrRS-2）分別定位于線粒體與細胞質中。通過構建兩種酵母遺傳學突變株，研究證明體內tars-1通過翻譯重起始產生CeThrRS-1 以及CeThrRS-2，它們分別在線粒體與細胞質蛋白質合成中發揮作用；以CeThrRS-2為研究對象，系統研究了其介導的細胞質與線粒體tRNA氨基酰化反應的機制，并闡明了其催化的蛋白質合成質量控制機制。為了研究線粒體tars-1的生理功能，研究人員通過CRISPR–Cas9構建線粒體tars-1敲低的線蟲品系，發現線粒體tars-1 敲低線蟲出現發育遲緩、運動能力下降、產卵下降、壽命延長的表型，進一步研究發現線粒體功能受損：耗氧率降低、復合物Ⅰ活性下降、線粒體出現還原應激，UPR^mt被激活，而線蟲壽命的延長依賴于UPR^mt的激活。研究人員敲低線蟲及哺乳動物細胞中多種線粒體aaRS，發現都能激活UPR^mt，說明線粒體aaRS缺陷相關線粒體翻譯功能受損激活UPR^mt具有普遍性及物種間的保守性。

　　該研究從基因、轉錄本、蛋白質形式、生化機制、細胞定位、細胞器功能與動物整體水平，首次系統闡釋了由一種ThrRS基因編碼兩種細胞定位的ThrRS的分子機制，建立并闡明了線蟲ThrRS介導的蛋白質合成速度與質量控制機制，揭示了線粒體翻譯損傷通過激活線粒體UPR延長線蟲壽命。相關研究為更加深入認識線粒體蛋白質合成在真核生物衰老與壽命中的關鍵作用提供了新的基礎。

　　相關研究工作得到科學技術部部、中國科學院、國家自然科學基金委、上海市科學技術委員會的資助。