线粒体甲基化潜能调控mitoribosome组装的分子机制及其在能量代谢中的关键作用

本研究揭示了线粒体S-腺苷甲硫氨酸（SAM）通过调控核糖体RNA加工和大型亚基成熟，成为线粒体翻译能力的关键调控节点。团队通过纳米孔测序和冷冻电镜技术，首次证明线粒体核糖体基因簇的加工效率依赖于甲基化潜能，并发现未成熟前体与组装因子形成的停滞复合物。这项发表于《Nature Communications》的工作为线粒体疾病治疗提供了新靶点。

　　

能量工厂的密码本：线粒体如何通过甲基化调控蛋白质合成？
在真核细胞的能量中心——线粒体中，存在着独立于细胞核的遗传系统。这个系统需要精确调控才能维持细胞能量代谢的平衡，而最新研究发现，一种名为S-腺苷甲硫氨酸（SAM）的小分子竟然掌握着线粒体蛋白质合成的"总开关"。线粒体虽然拥有自己的DNA和核糖体（mitoribosome），但其基因表达过程存在诸多未解之谜：为什么线粒体核糖体需要特殊的tRNA作为结构组件？RNA甲基化修饰如何影响这个古老翻译机器的组装？这些问题对理解线粒体疾病的发生机制至关重要。

来自瑞典卡罗林斯卡医学院等机构的研究团队通过多学科交叉方法，揭示了线粒体甲基化潜能（mitoSAM）在mitoribosome组装中的核心作用。研究发现，当线粒体内SAM水平降低时，核糖体RNA（12S和16S rRNA）的加工会出现严重缺陷，导致未成熟前体大量积累。这些发现发表于《Nature Communications》，为理解线粒体翻译障碍相关疾病提供了全新视角。

关键技术方法
研究采用肌肉特异性敲除小鼠模型（KOSkM）和胚胎成纤维细胞（KOMEF），通过纳米孔直接RNA测序（ONT）分析线粒体转录本加工状态，结合稳定同位素标记（SILAC）和蔗糖梯度离心分离核糖体组分。冷冻电镜（cryo-EM）以2.8-7.4 ?分辨率解析了10种mtLSU组装中间态结构，辅以蛋白质组学和Northern blot验证关键发现。

主要研究结果

线粒体SAM缺失导致基因表达渐进性缺陷
通过肌肉特异性Samc敲除小鼠模型发现：
• 12S rRNA的m⁴C_{909和m⁵C911甲基化水平随年龄递减（图1a）
• OXPHOS复合物I、III、IV亚基蛋白显著减少，而复合物II、V增加（图1b）
• mt-tRNA稳定性呈现两极分化：mtR、mtE等几乎消失，mtN、mtC等反而增加（图1d）}

线粒体甲基化潜能影响加工过程
纳米孔测序揭示：
• KO样本中未加工转录本占比达39.2%（对照仅3.6%）（图2a）
• 核糖体基因簇（mtF-12S-mtV-16S-mtL1）加工缺陷最显著（图3b）
• 甲基化缺失特异性影响tRNA介导的经典加工途径，非经典途径不受影响

线粒体核糖体组装依赖SAM
翻译实验显示：
• 12周KOSkM小鼠线粒体翻译能力下降，KOMEF完全丧失（图4a）
• SILAC梯度分析发现mtSSU蛋白在单核糖体组分异常富集（图5a）
• 早期加工因子（如TRMT10C、ERAL1）在单核糖体组分异常滞留（图5c）

mtLSU组装需要mitoSAM
冷冻电镜解析10种组装中间态：
• 状态A1-A4显示未成熟的中央突起（CP）和MRM3二聚体结合（图6a）
• 状态B-D中NSUN4-MTERF4异源二聚体锁定H68-71（图7a）
• 结构tRNA（mtF/mtV）缺乏3'CCA修饰即被整合（图6b）

甲基化是PTC成熟的必要条件
关键发现：
• 状态D中MRM2因A-loop未甲基化而无法释放（图7a）
• P-loop（Gm₂₂₅₃）甲基化缺失导致PTC环区紊乱（图7b）
• 与细菌RImE缺陷表型类似，证实甲基化在核糖体进化中的保守性

结论与意义
这项研究建立了线粒体甲基化网络与翻译能力的直接联系：

1. 分子机制：首次阐明SAM通过TRMT10C介导的甲基化调控核糖体基因簇加工效率，挑战了"甲基化非必需"的传统认知
2. 医学价值：为SLC25A26突变相关线粒体疾病（如MELAS）提供治疗靶点
3. 技术突破：冷冻电镜捕获的10种组装中间态为核糖体生物发生研究设立新标准
4. 进化启示：结构tRNA早期整合机制暗示线粒体核糖体在进化中的特殊适应性

研究还提出"甲基化检查点"概念：线粒体通过感知SAM水平来协调核糖体组装进程，这种调控机制可能是一碳代谢与能量代谢对话的关键环节。未来针对MRM2/MRM3等甲基转移酶的药物开发，或将成为改善线粒体功能障碍的新策略。