Science｜突破！瑞典隆德大学揭示植物线粒体中蛋白质翻译的起始机制

2023年9月1日，Science在线发表了瑞典隆德大学Olivier Van Aken团队及其合作者题为“An mTRAN-mRNA interaction mediates mitochondrial translation initiation in plants”的研究论文。该研究确立了拟南芥中线粒体蛋白质翻译起始的蛋白因子mTRAN1 和 mTRAN2， mTRAN 通过结合线粒体mRNA 5' 区域中保守的RNA基序，引导线粒体核糖体到达线粒体 mRNA 并启动翻译起始；揭示了植物线粒体中蛋白质翻译的起始机制。

DOI: 10.1126/science.adg0995

线粒体是能量转换和新陈代谢所必需的真核细胞器。由于线粒体很可能是内共生细菌合并的残余物，它们保留了许多与其细菌祖先相似的特征。大多数真核生物中的线粒体保留了自己的基因组，编码了线粒体运作所需的一组蛋白质。然而，在进化过程中，许多线粒体成分在真核生物之间存在着很大差异，特别是线粒体核糖体（mitoribosome）。因此，线粒体蛋白质的翻译机制在真核生物群体中也存在分歧，并具有不同的核糖体结构和起始位点。因为植物中线粒体 mRNA 缺乏细菌型 Shine-Dalgarno 核糖体结合序列，其线粒体 mRNA 是如何被线粒体核糖体识别并启动蛋白质翻译的，一直是个谜。

该团队发现其前期鉴定的拟南芥腺苷酸环化酶AT4G15640 和 AT3G21465，可能是线粒体核糖体组分rPPR10/mS83，并将其命名为“线粒体翻译因子”mTRAN1 和 mTRAN2。该研究显示，mTRAN在陆地植物中保守，但不存在于绿藻、动物和真菌中，是一类植物特异性蛋白。进一步研究发现，mTRAN 只存在于线粒体内；当拟南芥中的 mTRAN1 和/或 mTRAN2 受损时，植物表现出不同适度的生长受限，从生长抑制直至胚胎致死；表明它们对于植物的正常发育至关重要（Figure 1）。

Figure 1. mTRAN是正常发育所需的植物特异性线粒体蛋白

该研究发现，线粒体的生物合成和功能在 mtran 双突变体中严重受损，所有含有线粒体编码亚基（复合物 I、III、IV 和 V）的氧化磷酸化复合物的丰度和活性显著降低。利用免疫共沉淀（Co-IP），研究人员发现 mTRAN1 和mTRAN2 是植物线粒体“小”亚基 (mtSSU) 的一部分（Figure 2）。

Figure 2. mtran 双突变体使线粒体生物合成、蛋白质丰度和功能受损

通过mtran双突变体的转录组分析，该研究发现核、线粒体和叶绿体的基因表达发生了重排；表明了线粒体翻译缺陷。与此一致，该研究发现mtran双突变体显著降低了线粒体蛋白质的合成率。在 mtran双突变体中，很大一部分线粒体 mRNA 不能与线粒体核糖体结合；表明 mTRAN 在线粒体蛋白质的翻译起始中发挥着重要作用。结构模型显示，mTRAN 蛋白是与五肽重复 (PPR) 蛋白相关的 α-螺线管蛋白；表明mTRAN是潜在的 RNA 结合蛋白。通过在数千个植物线粒体基因的 5' 序列中搜索RNA 保守基序，研究人员鉴定到了富含 A/U 的基序（CUUUxU 和 AAGAAx/AxAAAG），并证实 mTRAN1 可以在体外和体内直接结合这些RNA基序（Figure 3）。

Figure 3. mTRAN1可在体外结合潜在的线粒体核糖体结合位点

最后，利用核糖体足迹 (Ribo-seq)，该研究发现mTRAN可能是所有植物线粒体中mRNA结合并起始翻译所必需的；表明mTRAN 蛋白可能是一类通用的 mtSSU 翻译起始因子（Figure 4）。

Figure 4. mTRAN 蛋白可能是通用的 mtSSU 翻译起始因子

综上所述，该研究发现了两种线粒体蛋白质，mTRAN1 和 mTRAN2，并确定了它们是拟南芥中线粒体蛋白质翻译起始所必需的因子：mTRAN 蛋白作为mtSSU的一部分，与线粒体mRNA 5' 区域中保守的富含 A/U基序（线粒体核糖体结合位点）结合，从而引导线粒体核糖体到达线粒体 mRNA 并启动翻译起始（Figure 5）；为植物线粒体蛋白质的翻译起始提供了深入理解。

Figure 5. mTRAN 介导植物线粒体翻译起始的模式图

本文转载自Ad植物微生物

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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