Cell | 朱雪峰/谢谢等揭示全新的线粒体基因调控机制
2022/6/21 15:42:43 阅读：173 发布者：
线粒体基因组编码氧化磷酸化系统的 13 种成分，线粒体转录的改变驱动了各种人类疾病。一种称为 7S RNA 的多聚腺苷酸化非编码 RNA 分子从哺乳动物细胞中轻链启动子的下游区域转录，其水平响应生理条件迅速变化。 转录起始是基因表达的关键调控步骤，尽管线粒体可能就是这种情况，但其调控仍不清楚。
2022年6月2日，瑞典哥德堡大学Maria Falkenberg及卡罗琳斯卡医学院 Martin Hällberg共同通讯（瑞典哥德堡大学朱雪峰、谢谢和卡罗琳斯卡医学院 Hrishikesh Das为该文章的共同第一作者）在Cell 在线发表题为“Non-coding 7S RNA inhibits transcription via mitochondrial RNA polymerase dimerization”的研究论文，该研究报告 7S RNA 具有调节功能，因为它控制体外和培养的人类细胞中的线粒体转录水平。
使用冷冻电镜，该研究表明 POLRMT 二聚化是由与 7S RNA 的相互作用诱导的。由此产生的 POLRMT 二聚体界面隔离了启动子识别和展开所必需的结构域，从而阻止了转录起始。总之，该研究提出非编码 7S RNA 分子是调节哺乳动物细胞线粒体转录的负反馈环的一个组成部分。
生理需求调节线粒体基因表达，影响这一过程的病理变化导致衰老和广泛的人类疾病。人类线粒体 DNA (mtDNA) 是环状的，由一条重链 (H-strand) 和一条轻链 (L-strand) 组成。线粒体基因组的非编码区 (NCR) 包含 L 链和 H 链启动子（分别为 LSP 和 HSP）。mtDNA 的转录由单亚基线粒体 RNA 聚合酶 (POLRMT) 驱动，并产生多顺反子 RNA。多顺反子 RNA 编码氧化磷酸化系统的基本蛋白质亚基以及翻译线粒体基因所需的 rRNA 和 tRNA 分子。POLRMT 是聚合酶 A 家族的成员，该家族还包括噬菌体 T7 RNA 聚合酶。POLRMT 的结构可分为四个主要结构域：N 端扩展区、五肽重复 (PPR) 区、N 端区和含有催化核心的 C 端区 (CTD)。转录由线粒体转录因子 A (TFAM) 与转录起始位点 (TSS) 上游区域的结合引发，从而诱导 mtDNA 发生 U 形转弯。TFAM-DNA 复合物将 POLRMT 招募到启动子，将聚合酶的活性位点定位在 TSS 上。然后招募第二个转录辅因子 (TFB2M)，它促进启动子 DNA 的融化，从而允许 RNA 合成。转录起始后，TFB2M 从复合物中解离，使转录延伸因子 (TEFM) 与 POLRMT 结合。除了在转录起始中的作用外，TFAM 还是将 mtDNA 包装成核蛋白复合物的关键因素，它直接影响 mtDNA 复制水平和体外基因表达。在其他系统中，转录起始是基因表达的关键调控步骤，尽管线粒体可能就是这种情况，但其调控仍不清楚。最近，核基因组中的非编码 RNA 分子显示出多种功能，例如调节基因组组织和基因表达。相比之下，更紧凑的线粒体基因组包含很少的非编码信息。然而，它会产生一种非编码 RNA 分子，即 7S RNA，它构成了许多细胞类型中总线粒体 RNA 的很大一部分。7S RNA已在哺乳动物（包括人类、大鼠和小鼠）以及其他脊椎动物（包括鱼类）中进行了实验鉴定。它的表达仅限于线粒体，并且没有关于细菌或哺乳动物细胞核中的 7S RNA 类似物的公开报道。7S RNA 从 LSP 转录并跨越从启动子到保守序列元件的区域，保守序列块 I (CSB I)，位于 TSS 下游 180 bp。它还包含另外两个保守序列元件，CSB II 和 CSB III，它们位于 mtDNA 中的 LSP 和 CSB I 之间。转录本有时会与起始 H 链 DNA 复制的引物混淆，后者在同一区域形成，但 7S RNA 可能具有其独特的功能，因为它是多聚腺苷酸化的并且不与 DNA 杂交。早期报道指出，7S RNA 包含一个与 12S rRNA 的 3' 末端互补的区域。这一观察结果表明 7S RNA 可能会改变核糖体亚基的结构，从而干扰线粒体蛋白质的翻译。当非编码 7S 转录本在 1970 年代初期由 Giuseppe Attardi 及其同事首次鉴定时，他们证明 7S RNA 水平的调节独立于其他 L 链转录本。这些作者还指出，7S RNA 水平可能会因生理胁迫而发生巨大变化。这一概念得到了后来在小鼠和细胞模型中观察到的支持。例如，在缺乏参与 mtDNA 复制的线粒体单链结合蛋白 (mtSSB) 的敲除小鼠中，LSP 转录起始的总体水平显著上调，但 7S RNA 严重消耗。为什么 7S RNA 水平会发生变化以及这如何影响线粒体功能仍然未知。在这里，该研究证明 7S RNA 通过直接靶向和阻断 POLRMT 启动转录的能力作为线粒体基因表达的抑制剂。使用一系列实验技术，包括冷冻电子显微镜 (cryo-EM)，该研究建立了这种效应的精确生化机制和细胞后果。该研究揭示了与 7S RNA 的相互作用导致 POLRMT 的二聚化，从而隔离了转录起始所需的关键域。最后，该研究展示了这种效应在培养的人类细胞中的功能重要性，该研究的综合数据确立了 7S RNA 作为哺乳动物线粒体转录起始的关键调节因子。https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(22)00590-6
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