共翻译线粒体蛋白导入的分子机制：N端前序列与大型球状结构域协同调控的时序性靶向

本研究揭示了线粒体蛋白共翻译导入的新机制。研究人员通过选择性核糖体分析技术（SeRP）发现，人类细胞中近20%的线粒体蛋白通过共翻译途径被TOM复合体（translocase of the outer membrane）识别。研究首次证明N端前序列（MTS）虽是必要条件，但需待新生链中大型球状结构域（>350aa）暴露后才能启动靶向，这种多层级的调控机制优化了具有复杂拓扑结构蛋白的导入效率。

　　

线粒体作为细胞的能量工厂，其功能依赖于上千种核基因组编码蛋白的精准定位。虽然99%的线粒体蛋白需通过胞质核糖体合成后导入，但长期以来，科学界对蛋白靶向线粒体的时空调控机制存在认知空白——经典理论认为该过程完全依赖翻译后机制，而近年发现的线粒体周边mRNA定位现象又暗示可能存在共翻译途径。这种矛盾的核心在于缺乏直接证据：究竟哪些蛋白会共翻译导入？其选择标准是什么？触发机制又如何？

为解答这些问题，加州理工学院（California Institute of Technology）的研究团队开发了创新的TOM复合体选择性核糖体分析技术（SeRP），通过对人类HEK293T细胞的系统性研究，在《Cell》发表了颠覆性发现。研究不仅证实了共翻译导入途径的广泛存在，更揭示了其独特的"延迟启动"机制——不同于内质网靶向中信号肽的即时识别，线粒体蛋白需要N端前序列（mitochondrial targeting sequence, MTS）与成熟区大型球状结构域的双重信号协同，才能解除早期抑制并启动靶向。

关键技术包括：1）构建TOMM22-TwinStrep标记细胞系捕获核糖体-TOM复合物相互作用；2）选择性核糖体分析（SeRP）在密码子分辨率绘制TOM互作组；3）结合翻译停滞（CHX处理）和交联实验（DSP）验证时序性；4）通过结构域重组和嵌合体构建验证球状结构域的功能。

主要发现

N端前序列指导共翻译靶向

通过SeRP技术捕获到137种（占线粒体蛋白质组的18.4%）与TOM复合体共翻译结合的蛋白，其中90%含有MTS。值得注意的是，基质蛋白占比最高（25.5%），而内膜跨膜蛋白（IMM）未显示偏好性，颠覆了"共翻译靶向主要防止跨膜结构域（TMD）聚集"的传统认知。

大型多结构域蛋白优先采用共翻译导入

生物信息学分析揭示共翻译靶向蛋白具有显著更大的分子量（>350aa）、更高的绝对接触序（ACO）和更多结构域。实验证实如NDUFS2等复杂蛋白的共翻译导入效率比翻译后模式提高3倍，验证了该途径对拓扑复杂蛋白的优化作用。

靶向启动具有严格时序控制

metagene分析显示靶向平均在新生链达350aa时启动，远晚于MTS的暴露时间（通常<100aa）。通过COQ3重复序列构建体实验证实，延长N端非结构区会等比例延迟靶向起始，排除了单纯时间累积效应的假说。

球状结构域暴露触发靶向

对COQ8A/B旁系同源蛋白的比较发现，尽管两者N端长度相差120aa，但靶向均在保守核心结构域暴露时启动。将DLAT的C端大结构域（IV）前移后，靶向起始点相应提前150aa，而将该结构域移植至翻译后靶向蛋白MDH2时，可赋予其共翻译特性。

结论与意义

该研究建立了线粒体蛋白靶向的"双信号-时序控制"模型：早期翻译阶段，MTS被核糖体相关因子或分子间相互作用暂时屏蔽；当新生链中大型球状结构域（如ALDH5A1的Rossmann折叠）完全暴露后，其形成的分子内相互作用网络取代早期抑制，解除MTS的屏蔽状态。这种机制既避免了小蛋白过早占用TOM通道，又确保拓扑复杂蛋白在形成不可逆折叠前被定向输送。

该发现为理解细胞器蛋白分选的进化策略提供了新视角——与内质网的SRP（signal recognition particle）系统不同，线粒体通过"延迟启动"机制实现了靶向特异性与通道容量的平衡。对DELE1、PINK1等应激响应蛋白共翻译靶向的发现，也为线粒体质量控制异常相关疾病（如帕金森病）提供了新的分子层面解释。