NAR︱张亮/施蕴渝团队揭示线粒体核糖体结合因子hsRBFA辅助线粒体核糖体成熟的分子机理

撰文︱张  亮，施蕴渝

责编︱方以一，王思珍

编辑︱杨彬薇

真核生物包含两套基因组：一套是核基因组，另一套是线粒体环状DNA。线粒体基因组转录多段RNA，包括2条rRNA（12S rRNA和16S rRNA），22条tRNA和13条mRNA。其中12S与16S rRNAs及其结合蛋白分别组装成为线粒体核糖体的大小亚基并进一步组装为成熟的线粒体核糖体。线粒体核糖体负责将13条mRNA翻译为13个蛋白质，这些蛋白质是线粒体呼吸链复合物的重要组成部分[1]。因此线粒体核糖体的正确组装对于线粒体功能的正常发挥起到至关重要的作用。人源线粒体核糖体结合因子（hsRBFA）在线粒体核糖体小亚基的组装过程中，通过结合到12S rRNA介导12S rRNA的翻译后修饰，进而辅助线粒体核糖体小亚基的成熟。近年来国内外针对线粒体核糖体组装成熟过程的研究很多，也有许多研究是关于hsRBFA在线粒体核糖体成熟过程中的重要作用[2,3]。但是hsRBFA与12S rRNA相互作用的细节仍是未知。因此系统的研究hsRBFA是如何结合12S rRNA并介导线粒体核糖体小亚基装配成熟，进而影响线粒体功能的过程和分子机理是非常重要的。

2023年1月9日，中国科学技术大学张亮，施蕴渝团队在Nucleic Acids Research上发表了题为“The recognition mode between hsRBFA and mitoribosome 12S rRNA during mitoribosomal biogenesis”的研究。该项工作系统地研究了人源线粒体核糖体结合因子（hsRBFA）识别线粒体核糖体小亚基12S rRNA的分子机理及其对线粒体核糖体的成熟和线粒体功能的影响。

人源线粒体核糖体结合因子（hsRBFA）包含一个经典的KH like结构域，通常KH like结构域是与RNA相结合的（图1A）。此项研究中，研究人员发现的hsRBFA的KH like结构域不能结合其底物12S rRNA，这一点与其原核同源蛋白都不同（图1B）。进一步的研究表明，hsRBFA是通过其氨基端一段无序序列和KH-like结构域（Nt-KH）共同作用结合12S rRNA的（图1C）。另一方面，通过对12S rRNA上不同序列的双链区RNA和单链区RNA进行分析可以得知，hsRBFA的Nt-KH结构域结合的12S rRNA上的双链RNA区段，而且其识别不具有序列的特异性。在此基础上，研究人员分析并进一步验证hsRBFA的氨基端无序序列中的碱性氨基酸对于hsRBFA结合双链RNA是至关重要的。利用突变实验，可以发现，突变这些氨基酸会影响hsRBFA结合双链RNA。进一步，研究人员发现，利用shRNA敲低细胞内的hsRBFA水平，不仅影响到线粒体核糖体编码的13个蛋白质的翻译水平，同时会严重影响线粒体的功能，具体来说会使得细胞内总活性氧分子（ROS）的水平和线粒体的ROS水平均大幅上升，线粒体的膜电位升高，线粒体的有氧呼吸水平明显下降，无氧呼吸水平代偿性上升（图1D~H）。综上，研究人员得出了一个全新的hsRBFA结合12S rRNA的模型（图1I）：在该模型中，hsRBFA通过其氨基端无序序列中的碱性氨基酸非特异性的识别底物12S rRNA的双链区域，并与KH like结构域共同钳住rRNA，并辅助其他rRNA翻译后修饰酶，如TFB1M、METTL15等对12S rRNA进行修饰，来完成线粒体核糖体小亚基的成熟及线粒体的装配，进而影响线粒体的功能的正常发挥。

图1. hsRBFA结合底物12S rRNA的模式。A. hsRBFA的结构域分布图；B. hsRBFA的经典KH-like结构域无法结合底物RNA；C. hsRBFA通过其氨基端无序序列和KH结构域一起结合12S rRNA；D~H. 使用shRNA敲低hsRBFA会导致线粒体各项功能受损；I. hsRBFA结合底物12S rRNA的模式图

（图源：Zhou, W. et al., Nucleic Acids Res, 2023）

文章结论与讨论，启发与展望

该项研究系统的分析了人源线粒体核糖体结合因子（hsRBFA）识别其底物12S rRNA的分子机理，揭示了hsRBFA通过其氨基端无序序列中的碱性氨基酸，而不是传统的KH like结构域，识别并结合12S rRNA上的双链RNA区段，进而辅助线粒体核糖体的翻译后修饰、组装和成熟的过程。同时综合使用流式细胞术和细胞能量代谢分析深入探讨了hsRBFA的缺失对线粒体功能和细胞功能的影响。该项研究综合使用细胞生物学和生物化学的方法，系统深入的探讨了hsRBFA在线粒体核糖体组装成熟过程中和线粒体功能正常发挥中起到的重要作用，同时也为未来针对其他线粒体核糖体的装配因子的结构和功能研究提供了一定参考。

原文链接：https://doi.org/10.1093/nar/gkac1234

中国科学技术大学生命科学与医学部博士生周婉婉为该论文第一作者；中国科学技术大学生命科学与医学部张亮副研究员为文章第一通讯作者，施蕴渝为共同通讯作者。该研究成果由中国科学院先导计划和国家自然科学基金资助。张亮，施蕴渝团队对于基因表达过程中的基因调控，尤其是表观遗传调控，例如组蛋白修饰，染色体重塑及非编码RNA的调节感兴趣。专注于研究细胞分化和人类疾病的结构基础与分子机制。近年来，我们团队关心衰老与退行性疾病的分子细胞机理，关注线粒体基因组的表观遗传调控，特别是线粒体的功能缺失引发的人类慢性炎症反应及与之相关的退行性疾病。

通讯作者：张亮（左），施蕴渝（右）

（照片提供自：张亮/施蕴渝团队）

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参考文献（上下滑动阅读）

[1] Christian,B.E. and Spremulli,L.L. (2012) Mechanism of protein biosynthesis in mammalian mitochondria. Biochim. Biophys. Acta,1819, 1035–1054.

[2] Itoh,Y., Khawaja,A., et al.(2022) Mechanism of mitoribosomal small subunit biogenesis and preinitiation. Nature, 606, 603–608.

[3] Kuwasako,K., Suzuki,S. et al. (2022) (1)H, (13)C, and (15)N resonance assignments and solution structures of the KH domain of human ribosome binding factor A, mtRbfA, involved in mitochondrial ribosome biogenesis. BiomolNMR Assign, 16, 297–303

本文完