线粒体基因cytb编码的新型蛋白质cytb-187aa调节哺乳动物早期发育

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线粒体 cytb-187aa 早期发育 ATP生产 多能态 卵巢滤泡 女性生育能力

新蛋白质Cytb-187aa调节哺乳动物早期发育

学术背景

线粒体是提供细胞能量的多功能细胞器，除了能量供应外，还参与细胞凋亡调控、细胞信号传递及多种生物合成途径的调节。在这些多功能中，线粒体内的物质会释放到细胞质或细胞核内，发挥信号分子的作用。例如，线粒体反应性氧物质(reactive oxygen species, ROS)和钙离子（Ca2+）可以释放到细胞质内，参与细胞凋亡及细胞命运的决定。而线粒体RNA和肽类物质的释放也在多种代谢应激反应及生物学过程中发挥着关键作用。

已有研究表明，线粒体基因组包含37个基因，其中13个基因编码用于氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）的蛋白质，其编码的蛋白质均在线粒体内翻译使用变异的遗传密码。此前，尚未有研究探讨这些线粒体基因编码的mRNA是否也可在细胞质内通过细胞质核糖体使用标准遗传密码进行翻译。

研究来源

该研究由Zhijuan Hu、Liang Yang、Maolei Zhang等多个研究人员联合进行，研究团队来自广州生物医学与健康研究院、中国科学院生物物理所、广州医科大学等机构及香港科学与创新研究所。研究成果于2024年7月2日在《Cell Metabolism》期刊上发表，文章标题为《A novel protein cytb-187aa encoded by the mitochondrial gene cytb modulates mammalian early development》。

研究流程

实验流程

  1. 新蛋白质发现及验证：通过开放阅读框（open reading frame, ORF）查找工具，研究人员在线粒体基因cytb内发现了一个编码187个氨基酸长的新蛋白质cytb-187aa，并通过液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）及抗体检测，证实了该蛋白质的存在。

  2. 细胞质核糖体翻译：使用Moontag系统，研究人员确认cytb-187aa mRNA在细胞质核糖体上进行翻译，表明其使用标准遗传密码。

  3. 亚细胞定位及功能探讨：通过显微观测，发现cytb-187aa主要定位于线粒体基质。通过递减突变体构建及显微成像，确定了其线粒体靶向信号肽为N末端的1-37氨基酸。

  4. 功能验证：通过在诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cells, iPSCs）中过表达及敲低cytb-187aa，研究显示该蛋白质参与诱导多能干细胞向多能状态的转变。利用抗Flag共免疫沉淀，识别其与线粒体磷酸载体Slc25a3相互作用，并通过ATP水平检测，确认其在ATP依赖的多能状态转变中的作用。

  5. 小鼠模型验证：利用CRISPR-Cas9基因编辑技术，构建了cytb-187aa敲低的小鼠模型，发现敲低cytb-187aa可导致雌性小鼠卵巢卵泡数量减少及生育能力降低。

数据分析方法及工具

研究过程中，使用ORF finder工具进行开放阅读框查找，应用液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）进行蛋白质鉴定及验证，利用自制抗体对新蛋白质进行特异性检测。细胞质翻译验证过程中，主要使用了Moontag系统，免疫共沉淀实验使用了抗Flag抗体，数据分析过程则使用了并行反应监测质谱（PRM-MS）及显示显微仪器进行实时分析。

实验结果及结论

主要实验结果

  1. 新蛋白质的发现和验证：在cytb基因内发现了一个新的编码187个氨基酸长的蛋白质cytb-187aa，并通过质谱及特异性抗体证实其存在。其中，液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）数据及定量蛋白质组学（PRM-MS）分析显示该蛋白质在多种细胞中高表达。

  2. 细胞质核糖体翻译：通过Moontag系统观察到cytb-187aa mRNAs在细胞质内翻译，并使用核糖体探针显示其在细胞质核糖体上的翻译行为，进一步验证了其使用标准遗传密码进行翻译的独特模式（mpact pattern）。

  3. 亚细胞定位及功能探讨：通过显微成像技术，发现cytb-187aa蛋白质主要定位于线粒体基质，其线粒体信号肽位于N末端的1-37氨基酸。此外，cytb-187aa高表达于多能状态下的细胞中，并在多能干细胞所需的诱导转变中起到关键作用。

  4. 功能验证：通过过表达或敲低cytb-187aa，发现其在ATP依赖的多能状态转变中起重要作用。进一步探讨其与线粒体磷酸载体Slc25a3的相互作用，确认cytb-187aa通过调节ATP水平促进多能细胞的状态转变。

  5. 小鼠模型验证：在cytb-187aa敲低的小鼠模型中，发现此蛋白质在雌性小鼠生育能力及卵巢卵泡数量中的重要作用，并在卵巢组织中较高表达。

结论及意义

本文首次揭示线粒体cytb基因不仅编码复杂III中的Cytb蛋白，还编码一个新的187氨基酸长的蛋白质cytb-187aa，其在细胞质内使用标准遗传密码翻译。这一新发现拓展了对线粒体基因组翻译和功能的理解。此外，该蛋白质显示出在哺乳动物早期发育及雌性生殖能力中的重要调节作用，提示其在多能干细胞维持及转变过程中可能具有潜在应用价值。

研究亮点

  1. 揭示了新的翻译模式：首次发现了线粒体基因cytb的mRNA可以在细胞质内通过细胞质核糖体使用标准遗传密码进行翻译，解释了线粒体基因组在细胞质内的新机制。

  2. 发现新的功能蛋白质：发掘出了一个新的线粒体编码蛋白质cytb-187aa，并确认其在多能干细胞转变和雌性小鼠生育中的重要作用。

  3. 全新实验技术应用：基于液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）及定量蛋白质组学（PRM-MS）的系统性方法，结合基因编辑技术，精确验证了新蛋白质的存在及其功能。

研究局限及未来方向

尽管本文揭示了cytb-187aa的多能状态转变及生育中的调节作用，但其具体调控机制仍需深入探讨。未来研究应进一步揭示cytb-187aa调控细胞命运及基因表达的详细机制，以期为干细胞疗法及生殖医学提供新的理论基础和实践参考。