揭示POLyB调控POLG突变表型严重性的关键作用：小鼠模型与结构生物学研究

本研究针对POLG突变导致线粒体疾病的异质性机制，通过构建系列小鼠模型结合冷冻电镜结构解析，发现POLyB亚基通过稳定POLyA-DNA复合物减轻突变损害，阐明了物种间表型差异的结构基础，为POLG相关疾病治疗提供了新靶点。

　　

线粒体DNA（mtDNA）复制异常会导致多种毁灭性的神经系统疾病，其中POLG基因编码的DNA聚合酶γ（POLγ）突变是最常见诱因。尽管已知POLγ由催化亚基POLyA和调控亚基POLyB组成，但不同突变导致临床表型差异巨大的机制仍不明确。更令人困惑的是，相同突变在小鼠模型中往往表现出比人类患者更温和的症状，这种"物种差异"背后的分子基础长期悬而未决。

来自瑞典哥德堡大学、意大利帕多瓦大学等机构的研究团队在《Nature Communications》发表重要成果，通过构建涵盖80%临床常见POLG突变的小鼠模型库，结合高分辨率冷冻电镜和酶动力学分析，首次揭示POLyB亚基通过独特的构象稳定作用减轻POLyA突变损害，阐明了人类与小鼠表型差异的结构基础。这项研究不仅为理解POLG相关疾病的发病机制提供了新视角，更为开发广谱治疗策略指明了方向。

研究团队运用了以下关键技术：1）CRISPR/Cas9基因编辑构建9种POLG突变小鼠模型；2）重组蛋白表达纯化系统获得人源和小鼠源POLγ复合物；3）单颗粒冷冻电镜解析R/E/I三种构象（分辨率2.7-3.0?）；4）放射性标记的DNA合成/修复功能实验；5）线粒体DNA拷贝数及氧化磷酸化活性检测。

疾病相关变异影响人和小鼠POLγ活性
通过比较人类（hPOLγ）和小鼠（mPOLγ）野生型及四种常见突变体（A467T/A449T、W748S/W726S、G848S/G826S、Y955C/Y933C）的酶活性，发现所有突变均损害DNA合成能力，但小鼠突变体的缺陷更轻微。特别值得注意的是，mPOLγ^A449T活性显著高于其人类对应突变hPOLγ^A467T。

POLγ突变对双链DNA复制效率的影响
在模拟生理环境的滚动环复制实验中，hPOLγ^G848S表现出最严重的功能缺陷，而相应小鼠突变mPOLγ^G826S损伤较轻。当模拟复合杂合状态（如A467T/W748S）时，人类突变组合的协同损害效应比小鼠更显著。

mPOLγ^WT与hPOLγ的结构差异
冷冻电镜结构显示，在从复制态（R）向纠错态（E）转换时，小鼠POLyB亚基与POLyA的AID结构域（Accessory-interacting determinant）形成刚性整体运动，而人类POLyB则表现出4?的位移。这种构象稳定性差异解释了mPOLγ更高的热稳定性（ΔT_m增加9℃）。

mPOLyB增强mPOLγ的活性
嵌合实验证明将hPOLyA与mPOLyB组合可使催化效率（k_cat）提升2倍，而反向组合则降低活性。动力学分析表明mPOLyB通过优化POLyA与DNA模板的相互作用提高核苷酸掺入速率，而非延长持续合成能力。

POLG小鼠模型的生成与表征
成功构建包括纯合（Polg^A449T/A449T）、复合杂合（Polg^A449T/G826S）和显性（Polg^+/Y933C）在内的9种模型。其中Polg^G826S/G826S和Polg^Y933C/Y933C均导致胚胎致死，与人类临床最严重表型一致。值得注意的是，Polg^+/Y933C小鼠在24月龄才出现小脑空泡化、肌肉线粒体异常等迟发性神经退行性病变。

这项研究确立了POLyB作为调控POLG突变严重性的关键分子开关：1）其与POLyA的相互作用稳定性存在物种差异；2）通过维持复制复合物构象减轻突变损害；3）为开发靶向POLyB的小分子疗法提供理论依据。特别重要的是，研究揭示临床观察到的"基因型-表型"相关性主要取决于POLyB对突变POLyA的功能补偿能力，这解释了为何相同突变在不同个体中表现迥异。

该成果不仅为理解线粒体DNA复制质量控制机制提供了重要见解，更通过建立迄今最全面的POLG突变动物模型库，为个性化治疗策略开发搭建了关键研究平台。未来针对POLyB构象调控的药物设计，或可成为治疗POLG相关疾病的新突破口。