RNA 鸟嘌呤四链体介导线粒体 RNA 聚合酶暂停：解锁线粒体转录调控新机制

线粒体基因表达失调与多种疾病相关，为探究线粒体转录调控机制，研究人员开展了线粒体 RNA 聚合酶（POLRMT）转录相关研究。结果发现 POLRMT 转录频繁暂停，与富含鸟嘌呤序列形成的鸟嘌呤四链体（G4s）有关，该发现对理解线粒体功能和相关疾病意义重大。

　　在细胞的微观世界里，线粒体如同一个个能量工厂，为细胞的正常运转提供着不可或缺的能量 —— 三磷酸腺苷（ATP）。线粒体有着自己独特的基因组，其基因表达的正常与否对细胞乃至整个生物体的健康至关重要。一旦线粒体基因表达失调，就如同工厂的生产流程出现故障，会引发癌症、糖尿病、败血症和肾脏疾病等多种健康问题。然而，目前科学家们对于线粒体转录过程的了解还十分有限，尤其是线粒体 RNA 聚合酶（POLRMT）在转录过程中的调控机制，就像隐藏在重重迷雾之中。这不仅阻碍了我们对线粒体正常功能的深入理解，也为相关疾病的治疗带来了巨大挑战。因此，探索线粒体转录的奥秘，揭示 POLRMT 转录的调控机制迫在眉睫。

为了揭开这层神秘的面纱，美国国立卫生研究院（National Institutes of Health）等机构的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《BMC Biology》上，为我们理解线粒体转录调控提供了新的视角和重要依据 。

研究人员在研究过程中运用了多种技术方法。其中，精准核转录分析（PRO-seq）技术发挥了关键作用，通过对来自不同个体的细胞样本进行 PRO-seq 分析，研究人员能够以单核苷酸分辨率绘制 POLRMT 在线粒体基因组上的分布图谱。此外，核酸免疫沉淀技术则帮助他们检测线粒体中鸟嘌呤四链体（G4s）的存在和富集情况，从而探究 G4s 与 POLRMT 转录之间的关系。

下面让我们一起来看看具体的研究结果：

1. POLRMT 在转录过程中频繁暂停：研究人员重新分析之前的 PRO-seq 数据，对线粒体基因组进行深度测序。结果发现，POLRMT 存在 465 个暂停位点，且这些暂停位点并不偏好 mRNA 或 tRNA 基因的 5’或 3’端，而是广泛分布于基因体中。同时，POLRMT 在合成富含鸟嘌呤的轻链 RNA 时，比合成鸟嘌呤含量低的重链 RNA 时更容易暂停，并且在富含鸟嘌呤的序列处暂停更为频繁。在不同细胞类型中，如新生儿成纤维细胞、肺上皮细胞和肾近端小管细胞等，都观察到了 POLRMT 暂停与富含鸟嘌呤的新生 RNA 合成之间的正相关关系。
2. 鸟嘌呤四链体位于 POLRMT 暂停位点的上游：利用 G4-hunter 和 QGRS mapper 算法预测 G4s 形成序列，发现这些序列在 POLRMT 暂停位点上游 20 - 40 个碱基处富集。通过 BG4 抗体进行的实验也验证了 G4s 在暂停位点上游的富集。进一步分析发现，POLRMT 在转录形成 G4s 的序列后会出现积累，而在不形成 G4s 的富含鸟嘌呤序列处，POLRMT 的积累则不明显，这表明 G4s 的形成会影响 POLRMT 的暂停。
3. 鸟嘌呤四链体在新生 RNA 中形成：以 MT-CO1 基因中的一个预测形成 G4s 的序列 CO1-G4 为例，研究人员通过 G4 - 免疫沉淀实验和核磁共振（NMR）光谱分析、圆二色谱（CD）光谱分析等方法，证实了 CO1-G4 序列在 RNA 中能够形成 G4s，而在 DNA 中则不能。并且，CO1-G4 RNA 形成 G4s 的过程是阳离子依赖的。对其他线粒体基因的研究也得到了类似的结果，表明较短的二核苷酸鸟嘌呤重复序列更倾向于在 RNA 中形成 G4s。
4. 新生 RNA 中的鸟嘌呤四链体使 POLRMT 转录暂停：通过分析发现，一些疾病相关的点突变与预测的 G4s 基序重叠，如 CO1-G4 序列中的一个鸟嘌呤到腺嘌呤的突变会破坏 G4s 的形成。体外引物延伸实验表明，该突变会使全长 RNA 转录产物显著增加，而加入 7 - 脱氮鸟苷 - 5’- 三磷酸（7-deaza-G）阻止 G4 折叠后，突变型和野生型之间的转录产物差异消失，这说明新生 RNA 中 G4s 的稳定性是 POLRMT 活性的决定因素。细胞实验中，用 G4 稳定剂 RHPS4 处理成纤维细胞后，发现 G4s 结构增多，POLRMT 在多顺反子转录本的 5’端积累增加，3’端减少，进一步证明了新生 RNA 中 G4s 的形成能够调节 POLRMT 的活性。
5. 鸟嘌呤四链体介导的暂停调节线粒体功能：用 RHPS4 处理永生的人肾近端小管细胞（RPTEC）后，发现线粒体中 G4s 稳定，导致 mtDNA 重链编码的 12 种多顺反子 mRNA 表达显著下降，细胞的氧消耗率降低，糖酵解速率增加。在原代成纤维细胞中也观察到了类似的现象，并且用另一种 G4 稳定剂吡啶并吡啶（pyridostatin）处理成纤维细胞，同样会导致线粒体基因转录本表达下降。此外，RPTEC 细胞中线粒体编码的 COX1 蛋白表达减少，导致能量失衡，激活了 AMPK。由于肾近端小管细胞的溶质运输依赖于氧化磷酸化产生的 ATP，G4s 介导的 POLRMT 暂停导致 ATP 生成减少，进而损害了细胞的主动运输功能。

研究人员通过一系列实验揭示了 POLRMT 转录暂停与鸟嘌呤四链体之间的紧密联系。他们发现 POLRMT 的暂停与富含鸟嘌呤的序列密切相关，这些序列能够折叠形成鸟嘌呤四链体，进而调节 POLRMT 的转录。这种调节机制对线粒体的功能有着重要影响，稳定的 G4s 会导致 POLRMT 暂停增加，线粒体转录减少，ATP 生成降低，最终影响细胞的正常功能。该研究为理解线粒体转录调控提供了新的理论基础，也为相关疾病的治疗提供了潜在的靶点和方向。不过，研究也存在一定的局限性，例如虽然发现了 G4s 与 POLRMT 暂停的关联，但还有很多暂停位点与 G4s 形成序列无关，可能存在其他调控机制，未来还需要进一步深入研究。