揭秘小鼠线粒体类核体内组成：开启线粒体研究新篇章

线粒体 DNA（mtDNA）在细胞能量代谢中至关重要，其与线粒体类核（mt-nucleoid）的关系尚不明确。研究人员通过构建 Tfam-FLAGBAC转基因小鼠，明确了 mt-nucleoid 的核心蛋白组成。这为深入了解线粒体功能及相关疾病机制提供了关键依据。

　　线粒体，这个细胞内的 “能量工厂”，一直以来都是生命科学领域的研究热点。线粒体 DNA（mtDNA）虽然个头小，却肩负着编码氧化磷酸化（OXPHOS）系统关键蛋白的重任，对细胞能量供应起着决定性作用。它紧密地包裹在线粒体类核（mt-nucleoid）中，然而，mt-nucleoid 的蛋白质组成却如同神秘的面纱，让众多科研人员捉摸不透。此前的研究，由于实验方法的差异和细胞组织类型的不同，对 mt-nucleoid 的组成成分众说纷纭，难以达成共识，这严重阻碍了人们对线粒体功能的深入理解，也使得与线粒体相关疾病的研究进展缓慢。

为了揭开 mt-nucleoid 组成的神秘面纱，来自国外的研究人员开展了一项极具意义的研究。他们构建了表达 FLAG 标记的线粒体转录因子 A（TFAM）的细菌人工染色体（BAC）转基因小鼠（Tfam-FLAG^BAC小鼠） ，旨在探究生理条件下 mt-nucleoid 的组成。该研究成果发表在《Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular Cell Research》上，为线粒体研究领域带来了新的曙光。

在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先，通过构建多种转基因小鼠模型，包括 Tfam-FLAG^BAC小鼠、心脏和骨骼肌特异性 Polrmt 敲除小鼠（Polrmt^LoxP/LoxP, +/Ckmm-cre）以及 CAG-TFAM 小鼠等，为研究提供了不同的实验对象。其次，采用免疫沉淀结合蛋白质组学分析技术，从不同小鼠组织中鉴定 mt-nucleoid 的组成成分。此外，还运用了线性密度甘油梯度离心、免疫印迹、qPCR 等技术，对 mtDNA 拷贝数、线粒体转录和复制水平等进行检测分析 。

研究结果如下：

• TFAM-FLAG 拯救小鼠线粒体功能正常：Tfam-FLAG^BAC小鼠与 Tfam 杂合敲除小鼠杂交，获得的 Tfam-FLAG 拯救小鼠表型正常，其 TFAM-FLAG 蛋白可替代野生型 TFAM 蛋白功能。mtDNA 拷贝数、OXPHOS 亚基稳态水平等指标均与正常小鼠相似，且 TFAM-FLAG 蛋白与 mt-nucleoid 共迁移，表明该蛋白定位于 mt-nucleoid，Tfam-FLAG 拯救小鼠适用于 mt-nucleoid 组成的体内研究。
• 定义体内核心 mt-nucleoid 蛋白：通过在低离子强度（20 mM NaCl）和高离子强度（100 mM NaCl）条件下对 TFAM-FLAG 进行免疫沉淀和蛋白质组学分析，研究人员从三个组织中鉴定出 12 种线粒体蛋白为核心 mt-nucleoid 成分。其中 8 种与 mtDNA 复制和转录相关，4 种与 mitoribosome 组装有关，这进一步证实了 mitoribosome 组装与 mt-nucleoid 的紧密联系。
• MRPS38 缺失上调 mtDNA 复制和转录：对 mitoribosome 亚基 MRPS38 和 MRPS10 进行 siRNA 敲低实验发现，MRPS38 敲低可使 mtDNA 拷贝数增加，7S DNA 减少，促进 mtDNA 从头合成和转录。而 MRPS10 敲低对 mtDNA 表达无明显影响，表明 MRPS38 在调节 mtDNA 表达中具有独特作用。
• 分析无 POLRMT 时 TFAM-FLAG 的相互作用蛋白：在心脏特异性 Polrmt 敲除小鼠中，尽管 mtDNA 耗尽且 LONP1 蛋白酶上调，但 TFAM-FLAG 仍保持稳定。研究人员鉴定出 10 种可能稳定 TFAM-FLAG 的蛋白，提示这些蛋白可能参与了 TFAM 的稳定调节机制。
• 分析 CAG-TFAM 小鼠模型中的 mt-nucleoid：在 CAG-TFAM 小鼠中，不同组织对高表达 TFAM 的反应不同。肝脏和心脏的 mt-nucleoid 包含大部分核心成分，且存在 8 种可能参与补偿机制的 TFAM-FLAG 相互作用蛋白；而骨骼肌的 mt-nucleoid 缺乏多数核心成分，线粒体转录严重下降。这表明 mt-nucleoid 组成与组织对高 TFAM 水平的反应密切相关。

研究结论和讨论部分指出，Tfam-FLAG^BAC转基因小鼠是研究 mt-nucleoid 组成的有力工具，其 TFAM-FLAG 蛋白功能正常，确保了研究结果反映生理条件。研究明确了体内 mt-nucleoid 的核心成分，揭示了线粒体翻译与 mtDNA 转录 / 复制之间存在相互作用。此外，研究还发现了一些可能影响 mtDNA 基因表达的因素，为进一步研究线粒体功能和相关疾病机制提供了重要线索。该研究成果不仅为线粒体领域的基础研究添砖加瓦，也为未来开发针对线粒体相关疾病的治疗策略提供了理论依据，具有重要的科学意义和潜在的临床应用价值。