周小龙研究员受邀综述人线粒体tRNA修饰与氨基酰化

　　

7月14日，国际学术期刊Trends in Biochemical Sciences在线发表了中国科学院分子细胞科学卓越创新中心（生物化学与细胞生物学研究所）周小龙研究员联合日本东北大学Fan-Yan Wei教授的受邀综述文章，题为“Modification and aminoacylation of human mitochondrial tRNAs”。该文章系统梳理了人线粒体tRNA（mt-tRNA）转录后修饰与氨基酰化两大核心过程的研究进展，深入探讨了其在线粒体能量代谢中的关键调控作用及其与人类疾病的紧密关联。

线粒体作为细胞的“能量工厂”，通过氧化磷酸化为生命活动提供能量。线粒体拥有独立的基因组（mtDNA），编码22种tRNA，用于翻译13种对氧化磷酸化至关重要的蛋白质。mt-tRNA在转录后需经历复杂的加工和化学修饰，并由线粒体氨基酰-tRNA合成酶（mt-aaRSs）催化完成氨基酰化，才能在线粒体翻译中发挥功能。加工、修饰及氨基酰化的精确性对线粒体内蛋白质合成的速度与保真度至关重要。

文章首先全面总结了人mt-tRNA上18种转录后修饰的分布图谱及其修饰酶，重点阐述了反密码子环关键位点（如第34位和37位）修饰在保证密码子识别准确性与翻译效率中的核心作用。文章指出，mt-tRNA的化学修饰不仅是其结构稳定所必需，更是调控线粒体基因表达动态响应的关键环节。例如，第34位尿嘧啶的牛磺酸修饰（τm⁵U）由GTPBP3和MTO1复合物催化，编码两个修饰酶的基因突变可导致联合氧化磷酸化缺陷症（COXPD）10型和23型，患者常表现为婴儿期肥厚型心肌病、乳酸酸中毒及Leigh综合征样神经障碍。研究团队还通过构建Gtpbp3基因缺陷小鼠模型，证明了AAV介导的基因疗法在挽救心脏和肌肉功能障碍中的有效性。而第37位的N⁶-苏氨酰氨基甲酰腺苷（t⁶A）修饰则需先由YRDC合成L-苏氨酰氨基甲酰腺苷酸（TC-AMP）中间体，再经OSGEPL1将TC部分转移至mt-tRNA。在人类细胞中，OSGEPL1缺失会特异性损害mt-tRNA^Thr和mt-tRNA^Lys的氨基酰化，并通过促进近同源密码子的识别而诱导氨基酸错误掺入。除上述两种修饰外，文中也介绍了反密码子茎环区的其他修饰，如第32位3-甲基胞苷（m³C）、第34位辫苷（Q）、第37位2-甲硫基-N⁶-异戊烯基腺苷（ms²i⁶A）等；以及mt-tRNA主体区域（主要位于D臂和T臂）的若干修饰，如第9位的N¹-甲基腺苷/鸟苷（m¹A/G）、第26位N²(,N²)-甲基鸟苷（m^2(,2)G）及广泛分布的假尿苷（ψ）等。

文章进一步详述了mt-aaRSs催化mt-tRNA氨基酰化及对误氨基酰化tRNA进行编校的机制。氨基酰化过程通常分为两步：首先，氨基酸由ATP激活生成氨基酰-AMP并释放焦磷酸；随后，氨基酰基团被转移至mt-tRNA第76位腺苷的2′-或3′-羟基。然而，由于缺少线粒体谷氨酰胺酰-tRNA合成酶，mt-tRNA^Gln的氨基酰化由线粒体谷氨酰-tRNA合成酶（EARS2）及转酰胺体共同完成。此外，部分氨基酰化的mt-tRNA^Met需要被进一步甲酰化以携带线粒体翻译起始需要的N-甲酰甲硫氨酸（fMet）。由于不同氨基酸结构存在一定的相似性，存在错误氨基酰化的可能，部分mt-aaRS携带编校结构域，用于水解误氨基酰化的tRNA。线粒体丙氨酰-tRNA合成酶（AARS2）与苏氨酰-tRNA合成酶（TARS2）编校活性的缺失均会导致胚胎致死。

此外，文中着重强调了近年来的重要进展——mt-aaRS的非经典功能。研究发现，除经典翻译功能外，部分mt-aaRS还参与更广泛的代谢过程：AARS2可感知L-乳酸并催化蛋白质的乳酰化修饰，最终影响先天免疫监视；线粒体半胱氨酰-tRNA合成酶（CARS2）兼具半胱氨酸过硫化物合酶活性，参与细胞氧化还原稳态调控；TARS2的一个亚群定位于细胞质，能感知苏氨酸水平并激活mTORC1信号通路，促进细胞增殖。这些发现将线粒体tRNA代谢与细胞全局调控网络紧密联系起来。

综合这些最新进展，该综述提出，mt-tRNA修饰和氨基酰化是一个动态且高度受控的系统，其功能缺陷是多种线粒体疾病的根源。文章最后指出，靶向mt-tRNA修饰酶和mt-aaRSs的干预策略为相关线粒体疾病的诊断与治疗开辟了新途径。

分子细胞卓越中心博士研究生姚诗莹与浙江大学遗传学研究所王猛副教授为本文共同第一作者，分子细胞卓越中心周小龙研究员与日本东北大学Fan-Yan Wei教授为共同通讯作者。该工作得到中国科学院战略性先导科技专项、国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。

文章链接：https://authors.elsevier.com/a/1nRbu3S6GfYCPz

人线粒体tRNA转录、加工、修饰及氨基酰化