酵母线粒体核糖体隧道出口分子开关Mrx4调控细胞色素b合成的分子机制

本研究揭示了酵母线粒体中Mrx4作为分子开关调控细胞色素b(Cytb/COB)合成的全新机制。研究人员通过蛋白质邻近标记（Bio-ID）与选择性线粒体核糖体分析（sel-mitoRP）技术，发现Mrx4通过动态结合翻译激活因子Cbs2或组装因子Cbp3-Cbp6，在核糖体多肽隧道出口（PTE）处形成反馈调节环路，精确协调线粒体翻译与呼吸链复合体III的生物合成。该发现为理解真核生物线粒体基因表达调控提供了重要范式。

　　

线粒体作为细胞的能量工厂，其基因表达系统保留着内共生起源的独特印记。尽管线粒体DNA（mtDNA）仅编码少量蛋白质，但这些产物与核基因组编码的亚基共同构成氧化磷酸化（OXPHOS）复合体的核心。这种双重遗传起源要求两个遗传系统必须精确协调——就像交响乐团需要指挥统一节拍。然而，线粒体如何感知细胞需求并动态调整翻译输出，一直是未解的谜题。在酿酒酵母中，细胞色素b（Cytb或COB）作为呼吸链复合体III的关键亚基，其合成受到三个翻译激活因子（Cbs1、Cbs2、Cbp1）和组装因子Cbp3-Cbp6的精细调控。但长期以来，COB翻译反馈环路与复合体III组装间的分子界面始终笼罩在迷雾中。

瑞典斯德哥尔摩大学（Stockholm University）与哈佛医学院（Harvard Medical School）的Andreas Carlstr?m团队联合开展研究，通过创新性地整合多种前沿技术，首次揭示了Mrx4作为线粒体核糖体隧道出口（PTE）的新型配体，在COB翻译调控中扮演的核心角色。这项发表于《Nucleic Acids Research》的研究，阐明了线粒体协调基因表达与呼吸链组装的分子开关机制。

研究人员主要采用四项关键技术：1）蛋白质邻近标记（Bio-ID）绘制Mrx4与核糖体组分的相互作用网络；2）选择性线粒体核糖体分析（sel-mitoRP）追踪翻译激活因子的动态定位；3）位点特异性光交联技术精确定位Cbp3与Mrx4的结合位点；4）化学交联结合质谱（ALFA-XLP）验证蛋白质互作。实验使用W303和S288c酵母菌株，通过线粒体分离和蔗糖密度梯度离心富集功能复合体。

Cbs1和Cbs2在翻译早期阶段结合线粒体核糖体
通过sel-mitoRP技术发现，Cbs1和Cbs2结合的核糖体特异性富集于COB mRNA的5'端区域，其保护片段集中在起始密码子附近（-16至-145 nt）。这些翻译激活因子在延伸后期离开核糖体，表明其专司翻译起始调控。

Mrx4是Cbs2和Cbp3的新型PTE邻近互作蛋白
Bio-ID分析显示Mrx4与PTE蛋白mL44和SSU蛋白uS12m存在显著互作。AlphaFold2预测其C端含单个跨膜螺旋，N端含三个柔性结构域，这种特殊构象可能介导动态蛋白互作。蔗糖梯度实验证实Mrx4与核糖体大亚基（LSU）共迁移。

Mrx4介导反馈环路抑制COB翻译
³⁵S-甲硫氨酸标记实验显示，mrx4△突变体能逆转cbp3△导致的Cytb合成缺陷。在cob::ARG8报告系统中，Mrx4缺失使Arg8表达恢复至野生型水平，证明其作为Cbp3依赖性翻译抑制的核心元件。这种调控具有mRNA特异性，对cox1::ARG8系统无效。

Mrx4与Cbp3的细胞色素b结合位点互作
位点特异性光交联实验鉴定出D188^pBpa、Q184^pBpa等五个关键交联位点，均位于Cbp3的底物结合域。ALFA-XLP质谱进一步验证该互作，并发现其与Cbp3-Cbp6对新生Cytb的识别存在竞争关系。sel-mitoRP时序分析揭示：I阶段Cbp3-Cbp6通过Mrx4扫描PTE；II阶段结合Cytb前四个跨膜段（TM）；III阶段第六TM段出现时解离Mrx4；IV阶段成熟Cytb-Cbp3-Cbp6复合体脱离核糖体。

Mrx4在PTE处协调COB翻译反馈环路
AlphaFold2预测Mrx4的52-115残基与Cbs2特异性结合。截断实验证实该区域对抑制功能至关重要。在反馈激活状态下，Mrx4转而结合bL28m（Mrpl28），引发构象重排。Bio-ID显示mrx4△突变体中Cbs2从PTE向mRNA通道出口（MCE）迁移，sel-mitoRP检测到COB 5'-UTR保护片段增加2.5倍，证实翻译抑制解除。

这项研究首次描绘了线粒体核糖体PTE处动态调控的分子图谱：当Cbp3-Cbp6因组装阻滞被扣押时，Mrx4结合Cbs2-COB mRNA复合体，将其锚定于PTE抑制翻译；当游离Cbp3-Cbp6可用时，其通过竞争性结合Mrx4释放TA复合体，使其转位至MCE启动翻译。这种精巧的"分子拔河"机制，实现了线粒体翻译与核编码亚基供给的毫秒级同步。

该发现为理解真核生物能量代谢调控提供了新范式：1）阐明PTE作为翻译调控中心的创新功能；2）揭示Mrx4作为首个被发现的线粒体翻译分子开关；3）为线粒体疾病（如复合体III缺陷症）提供潜在治疗靶点。正如研究者所述："Mrx4在隧道出口的组织直接耦合了复合体III组装状态与COB翻译"，这一发现将推动针对线粒体翻译调控网络的深入研究。