NAR（IF=19）| 浙江大学管敏鑫团队发现耳聋相关的线粒体DNA突变导致对DNA复制和tRNA代谢的多效性影响

线粒体 DNA (mtDNA) 的突变与广泛的人类疾病有关，包括神经肌肉疾病、糖尿病、视力障碍以及听力损失。线粒体 RNA 代谢的缺陷与感觉神经性听力损失有关，而感觉神经性听力损失通常是由于内耳毛细胞受损或不足而发生的。然而，线粒体RNA代谢缺陷的致病机制仍然难以捉摸。

2022年8月30日，浙江大学管敏鑫团队在Nucleic Acids Research （IF=19）在线发表题为“A deafness-associated mitochondrial DNA mutation caused pleiotropic effects on DNA replication and tRNA metabolism ”的研究论文，该研究探索了耳聋相关 m.5783C > T 突变的分子机制，该突变影响 tRNACys 的 TΨC 茎的典型 C50-G63 碱基配对，并紧邻线粒体 DNA(mtDNA) 轻链起源的 5' 端复制起点 (OriL)。二维琼脂糖凝胶电泳显示复制中间体显著减少。mtDNA 复制改变进一步证明了 PolγA、Twinkle 和 SSBP1 以及突变体胞中新合成的 mtDNA 和 mtDNA 含量水平的降低。 

m.5783C > T 突变改变了 tRNACys 的结构和功能，包括降低的熔解温度、构象变化、突变的 tRNACys 的不稳定性和氨酰化不足。m.5783C > T 突变损害了 tRNACys 前体的 5' 末端加工效率，并降低了tRNACys 和下游 tRNATyr 的水平。异常的 tRNA 代谢损害了线粒体翻译，这在含有较多半胱氨酸和酪氨酸密码子的多肽中尤为明显。这些改变导致氧化磷酸化不足，包括呼吸链酶复合物 I、III、IV 和完整的超复合物的不稳定性和活性降低。总之，该研究结果强调了线粒体功能障碍对由线粒体 DNA 复制和 tRNA 代谢缺陷引起的耳聋的影响。

线粒体 DNA (mtDNA) 的突变与广泛的人类疾病有关，包括神经肌肉疾病、糖尿病、视力障碍以及听力损失。人线粒体 DNA (mtDNA) 是一个 16.6 kb 的环状双链分子，由编码 2 个 rRNA ， 14 个 tRNA 和12 种用于氧化磷酸化系统 (OXPHOS) 基本亚基多肽基因的重链（H链）及编码八种 tRNA 和一种多肽 (ND6)基因的轻链（L链）组成。人类线粒体基因组包含两个保守的 DNA 复制起点（重链起点，OriH，位于 D 环区域的 110-441 位，轻链起点，OriL，位于 5721-5798 位，包含 3' 末端的 37 bp 抗- tRNACys 基因的正义链，32 bp 非编码序列和 9 bp 的 5' 末端反义链 tRNAAsn 基因）。链置换模型 (SDM) 以及替代和部分重叠模型已被建议用于 mtDNA 复制，由自身的复制机制催化，包括 DNA 聚合酶 γ (Polγ)、Twinkle 解旋酶和单链 DNA 结合蛋白 (mtSSB)。mtDNA 双向产生多顺反子 H 链和 L 链转录物，由线粒体转录机器催化，产生的多顺反子转录物被处理以释放线粒体翻译所必需的 13 种 mRNA、22 种 tRNA 和 2 种 rRNA。特别是，从初级转录物加工线粒体 tRNA 需要在 5' 末端精确切割 tRNA，分别由 RNase P 催化和 3' 末端由 RNase Z 介导。线粒体 RNA 代谢的缺陷与感觉神经性听力损失有关，而感觉神经性听力损失通常是由于内耳毛细胞受损或不足而发生的。核糖体 A 位点的耳聋相关 12S rRNA 1555A > G 和 1494C > T 突变使人线粒体核糖体更像细菌，并改变氨基糖苷类和线粒体翻译的结合位点。这些与耳聋相关的 tRNA 突变（例如 m.7516DelA 和 m.4295A > G）影响了它们的结构和功能。然而，线粒体RNA代谢缺陷的致病机制仍然难以捉摸。最近，在一个中国汉族家庭中发现了线粒体 tRNACys 基因的同质 5783C > T 突变，该家庭具有来自大量中国听力受损先证者的母系耳聋遗传。m.5783C > T 突变位于 tRNACys 的 TΨC 茎的第 50 (C50) 位高度保守的胞嘧啶上，并紧邻 OriL 的 5' 末端的位置 5721-5798，包含 37 bp ' tRNACys 基因的末端反义链。与其他耳聋相关的 mtDNA 突变仅对 tRNA 结构和功能的影响不同，m.5783C > T 突变可能对线粒体 DNA 复制和 tRNA 代谢产生多效性影响。

人类线粒体基因组图谱和 m.5783C > T 突变的位置（图源自Nucleic Acids Research ）m.5783C > T 突变影响 tRNACys 的 TΨC 茎的典型 C50-G63 碱基配对，并紧邻线粒体 DNA(mtDNA) 轻链起源的 5' 端复制起点 (OriL)。二维琼脂糖凝胶电泳显示复制中间体显著减少。mtDNA 复制改变进一步证明了 PolγA、Twinkle 和 SSBP1 以及突变体胞中新合成的 mtDNA 和 mtDNA 含量水平的降低。 m.5783C > T 突变改变了 tRNACys 的结构和功能，包括降低的熔解温度、构象变化、突变的 tRNACys 的不稳定性和氨酰化不足。m.5783C > T 突变损害了 tRNACys 前体的 5' 末端加工效率，并降低了 tRNACys 和下游 tRNATyr 的水平。异常的 tRNA 代谢损害了线粒体翻译，这在含有较多半胱氨酸和酪氨酸密码子的多肽中尤为明显。这些改变导致氧化磷酸化不足，包括呼吸链酶复合物 I、III、IV 和完整的超复合物的不稳定性和活性降低。总之，该研究结果强调了线粒体功能障碍对由线粒体 DNA 复制和 tRNA 代谢缺陷引起的耳聋的影响。

参考消息：

https://academic.oup.com/nar/advance-article/doi/10.1093/nar/gkac720/6678873

转自：“iNature”微信公众号

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