衰老引起的 trnaGlu-衍生片段通过靶向线粒体翻译依赖的嵴组织破坏谷氨酸生物合成

学术背景介绍

线粒体嵴是线粒体内膜向内突出的结构，这些结构在衰老过程中会发生明显的形态变化。然而，导致这些变化的分子机制及其对脑衰老的贡献仍不清楚。维持线粒体嵴的超微结构对于存在于嵴中的呼吸酶正常功能至关重要，如果嵴结构受到破坏，内膜上的酶活性将会显著降低。谷氨酶（GLS）是位于嵴中的一种重要酶，负责催化谷氨酸的生成，维持神经元内环境的谷氨酸水平。谷氨酸作为最丰富的神经活性氨基酸及主要兴奋性神经递质，其水平在脑衰老过程中逐渐下降，并常伴随记忆衰退。

转运RNA衍生小RNA（tsRNAs）由成熟tRNA在各种压力下产生，并参与多种生理和病理过程。然而，tsRNAs在器官特异性中的功能和分子机制迄今尚未完全明确。本文研究了一种核编码的tRNA Glu-CTC（tRNA Glu）衍生的tsRNA，即 glu-50tsRNA-CTC 在脑衰老过程中的作用及机制。

研究来源介绍

本文由中国科学技术大学丁峰立（Dingfeng Li）、高欣怡（Xinyi Gao）、马小林（Xiaolin Ma）、王明（Ming Wang）、程船东（Chuandong Cheng）、薛田（Tian Xue）、高峰（Feng Gao）、沈勇（Yong Shen）、张娟（Juan Zhang）及刘强（Qiang Liu）等研究人员所作。该研究于2024年5月7日发表于《Cell Metabolism》期刊。

研究详细介绍

实验设计与流程

本研究通过小RNA测序（RNA-seq）分析3个月和22个月小鼠前额叶皮层（mPFCs）中的tsRNAs表达模式，发现 glu-50tsRNA-CTC 高度增加。利用 Northern blot 鉴定和验证 glu-50tsRNA-CTC 在老年小鼠mPFCs中的积累情况，并通过原位杂交结合免疫荧光实验证实了其在谷氨酸能神经元中的特异性积累。

研究进一步揭示了 glu-50tsRNA-CTC 的生成机制。通过 RNA pull-down 和免疫共沉淀（IP），发现 glu-50tsRNA-CTC 通过与亮氨酰-tRNA 合成酶 2（LARS2）结合被导入线粒体，并在线粒体内竞争性抑制 mt-tRNALeu 的氨酰化，从而损害线粒体蛋白合成，最终导致嵴组织受损和GLS水平下降。

通过超声电镜（TEM）和定量PCR（qPCR），研究还发现减弱 glu-50tsRNA-CTC 可以缓解老龄化小鼠 mPFCs 的嵴组织缺陷和谷氨酸水平下降，并显著改善其突触结构和记忆能力。

主要研究结果

老化诱导脑内 glu-50tsRNA-CTC 的生成

通过 RNA-seq 分析，发现 tsRNA glu-50tsRNA-CTC 是由成熟的 tRNA Glu-CTC 通过血管生成核糖核酸酶（Ang）特异性切割形成，并在老龄化小鼠 mPFCs 中显著积累。进一步实验表明，Ang的去磷酸化诱导其核质转换，并导致 glu-50tsRNA-CTC 在细胞质中的生成和积累。

glu-50tsRNA-CTC 在谷氨酸能神经元线粒体中的积累

研究发现，glu-50tsRNA-CTC 特异性积累在谷氨酸能神经元的线粒体中，这种积累是通过LARS2介导的导入机制实现的。通过 RNA pull-down 和免疫共沉淀实验验证了 glu-50tsRNA-CTC 和 LARS2的作用，并发现与 LARS2 的 uua 序列和LARS2的反密码子域是其相互作用的关键。

glu-50tsRNA-CTC 干扰 mt-tRNALeu 与 LARS2 的结合并破坏 mt-tRNALeu 氨酰化

通过增加 glu-50tsRNA-CTC 的表达，发现 lars2 结合的 mt-tRNALeu 显著减少，这表明 glu-50tsRNA-CTC 与 mt-tRNALeu 在与 LARS2 的结合中处于竞争状态，导致 mt-tRNALeu 的氨酰化受阻，进而破坏线粒体蛋白的翻译。

glu-50tsRNA-CTC 介导的线粒体翻译缺陷导致线粒体嵴组织受损

研究验证了 glu-50tsRNA-CTC 过表达或 LARS2抑制会导致线粒体蛋白翻译缺陷，进而破坏线粒体嵴的正常组织，导致嵴效率和嵴直径明显减弱和增加。反过来，还发现 LARS2 过表达可以缓解这些缺陷，恢复 mt-tRNALeu 氨酰化和线粒体翻译。

正常线粒体嵴组织维持 GLS 依赖的谷氨酸合成

研究发现，glu-50tsRNA-CTC 通过损害线粒体嵴组织和 GLS蛋白稳定性，降低线粒体中的谷氨酸水平。通过TEM观察和定量分析，发现Glu-50tsRNA-CTC可导致GLS的泛素化和降解，进一步降低谷氨酸水平。利用蛋白酶体抑制剂可以阻止 GLS 的降解，证实了泛素化机制的参与。

脑中 glu-50tsRNA-CTC 水平的降低改善老龄小鼠的记忆能力

利用行为学实验（如 Morris 水迷宫、物体识别和恐惧条件反射任务），发现干扰 glu-50tsRNA-CTC 可以显著改善老龄小鼠的空间和情景记忆，表明 glu-50tsRNA-CTC 是引起脑衰老相关记忆衰退的重要因素。

结论与研究价值

通过探讨 glu-50tsRNA-CTC 的生成、积累及其通过干涉线粒体翻译依赖的嵴组织破坏谷氨酸生物合成，本文深入揭示了 tsRNAs 在脑衰老及记忆衰退中的病理性作用。同时，针对 glu-50tsRNA-CTC 的ASO治疗策略为衰老相关认知功能障碍提供了潜在的治疗途径。该研究不仅对脑衰老的分子机制提供了重要的科学信息，还对开发新的治疗方法具有重要的应用价值。