ミトコンドリア遺伝子cytbにコードされる新規タンパク質cytb-187aaが哺乳類の初期発生を調節する

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新たなタンパク質Cytb-187aaが哺乳類の初期発育を調節する

学術的背景

ミトコンドリアは細胞にエネルギーを供給する多機能な細胞小器官であり、エネルギー供給だけでなく、細胞のアポトーシス調節、細胞シグナル伝達、さまざまな生合成経路の調節にも関与しています。これらの多機能の中で、ミトコンドリア内の物質は細胞質や細胞核に放出され、シグナル分子として作用します。例えば、ミトコンドリア反応性酸素種（reactive oxygen species, ROS）やカルシウムイオン（Ca2+）は細胞質内に放出され、細胞アポトーシスや細胞運命の決定に関与します。また、ミトコンドリアRNAやペプチド物質の放出も、さまざまな代謝ストレス応答や生物学的過程において重要な役割を果たしています。

既存の研究では、ミトコンドリアゲノムには37個の遺伝子が含まれており、そのうち13個の遺伝子が酸化的リン酸化（oxidative phosphorylation）に使用されるタンパク質をコードしていることが示されています。これらのコードされたタンパク質はすべてミトコンドリア内で翻訳され、変異した遺伝暗号を使用します。これまでの研究では、これらのミトコンドリア遺伝子がコードするmRNAが、細胞質リボソームで標準的な遺伝暗号を使用して翻訳されるかどうかについては、まだ検討されていませんでした。

研究の出典

この研究は、Zhijuan Hu、Liang Yang、Maolei Zhangなどの研究者が共同で行ったもので、研究チームは広州生物医学健康研究院、中国科学院生物物理研究所、広州医科大学、香港科学イノベーション研究所などの機関に所属しています。研究成果は2024年7月2日に《Cell Metabolism》誌に発表され、論文のタイトルは《A novel protein cytb-187aa encoded by the mitochondrial gene cytb modulates mammalian early development》です。

研究のプロセス

実験プロセス

  1. 新しいタンパク質の発見と検証：オープンリーディングフレーム（open reading frame, ORF）探索ツールを使用して、研究者たちはミトコンドリア遺伝子cytb内に、187アミノ酸長の新しいタンパク質cytb-187aaをコードする領域を発見し、液相クロマトグラフィー・タンデム質量分析（LC-MS/MS）および抗体検出を通じて、このタンパク質の存在を確認しました。

  2. 細胞質リボソームによる翻訳：Moontagシステムを使用して、研究者たちはcytb-187aa mRNAが細胞質リボソームで翻訳されていることを確認し、それが標準的な遺伝暗号を使用していることを示しました。

  3. 亜細胞の位置と機能の探求：顕微鏡観察により、cytb-187aaが主にミトコンドリアマトリックスに位置していることが判明しました。減少型変異体の構築および顕微鏡イメージングを通じて、そのミトコンドリア標的シグナルペプチドがN末端の1-37アミノ酸であることが確定されました。

  4. 機能の検証：誘導多能性幹細胞（induced pluripotent stem cells, iPSCs）でのcytb-187aaの過剰発現およびノックダウンを通じて、このタンパク質が多能性状態への変換に関与していることが示されました。抗Flag共免疫沈降法を使用して、ミトコンドリアリン酸キャリアーSlc25a3との相互作用が確認され、ATPレベルの測定により、cytb-187aaがATP依存の多能性状態への変換において重要な役割を果たしていることが確認されました。

  5. マウスモデルでの検証：CRISPR-Cas9遺伝子編集技術を使用して、cytb-187aaノックダウンマウスモデルが構築され、cytb-187aaのノックダウンが雌マウスの卵巣卵胞数の減少および生殖能力の低下を引き起こすことが発見されました。

データ分析方法およびツール

研究の過程では、ORF finderツールを使用してオープンリーディングフレームの探索を行い、液相クロマトグラフィー・タンデム質量分析（LC-MS/MS）を用いてタンパク質の同定および検証を行いました。また、自作の抗体を利用して新タンパク質の特異的検出を行いました。細胞質翻訳の検証には主にMoontagシステムを使用し、免疫共沈実験では抗Flag抗体が使用され、データ分析の過程では並列反応モニタリング質量分析（PRM-MS）およびリアルタイム顕微鏡装置が使用されました。

実験結果および結論

主な実験結果

  1. 新しいタンパク質の発見と検証：cytb遺伝子内に187アミノ酸長の新しいタンパク質cytb-187aaを発見し、質量分析および特異的抗体を通じてその存在を確認しました。液相クロマトグラフィー・タンデム質量分析（LC-MS/MS）データおよび定量プロテオミクス（PRM-MS）分析により、このタンパク質がさまざまな細胞で高く発現していることが示されました。

  2. 細胞質リボソームによる翻訳：Moontagシステムを通じて、cytb-187aa mRNAが細胞質内で翻訳されていることが観察され、リボソームプローブを使用してその細胞質リボソームでの翻訳挙動が示され、標準的な遺伝暗号を使用した翻訳の独自のパターン（mpact pattern）がさらに検証されました。

  3. 亜細胞の位置と機能の探求：顕微鏡イメージング技術を通じて、cytb-187aaタンパク質が主にミトコンドリアマトリックスに位置し、そのミトコンドリアシグナルペプチドがN末端の1-37アミノ酸に位置していることが発見されました。さらに、cytb-187aaは多能性状態にある細胞で高く発現しており、多能性幹細胞が必要とする誘導変換において重要な役割を果たしています。

  4. 機能の検証：cytb-187aaを過剰発現またはノックダウンすることにより、ATP依存の多能性状態の変換において重要な役割を果たしていることが明らかになりました。さらに、cytb-187aaがATPレベルを調節することにより、多能性細胞の状態変換を促進することが確認されました。

  5. マウスモデルでの検証：cytb-187aaノックダウンマウスモデルにおいて、このタンパク質が雌マウスの生殖能力および卵巣卵胞数において重要な役割を果たしていることが発見され、卵巣組織内で高く発現していることが確認されました。

結論および意義

本研究は、ミトコンドリアcytb遺伝子が複合体IIIのCytbタンパク質だけでなく、新しい187アミノ酸長のタンパク質cytb-187aaもコードしており、このタンパク質が細胞質内で標準的な遺伝暗号を使用して翻訳されることを初めて明らかにしました。この新発見は、ミトコンドリアゲノムの翻訳と機能に対する理解を広げるものであり、さらに、このタンパク質は哺乳類の初期発育および雌の生殖能力において重要な調節作用を示しており、多能性幹細胞の維持および変換過程において潜在的な応用価値があることを示唆しています。

研究のハイライト

  1. 新しい翻訳モードの解明：初めてミトコンドリア遺伝子cytbのmRNAが細胞質内で細胞質リボソームを通じて標準的な遺伝暗号を使用して翻訳されることを発見し、ミトコンドリアゲノムが細胞質内で果たす新しいメカニズムを解明しました。

  2. 新しい機能タンパク質の発見：新しいミトコンドリアコードタンパク質cytb-187aaを発掘し、その多能性幹細胞の変換および雌マウスの生殖における重要な役割を確認しました。

  3. 全く新しい実験技術の応用：液相クロマトグラフィー・タンデム質量分析（LC-MS/MS）および定量プロテオミクス（PRM-MS）に基づく系統的手法と、遺伝子編集技術を組み合わせて、新しいタンパク質の存在およびその機能を正確に検証しました。

研究の限界および将来の方向性

本研究ではcytb-187aaの多能性状態変換および生殖における調節作用を明らかにしましたが、その具体的な調節メカニズムはまだ十分に解明されていません。将来の研究では、cytb-187aaが細胞の運命や遺伝子発現をどのように調節するかについて、さらに詳細なメカニズムを明らかにし、幹細胞療法および生殖医学に新しい理論的基盤と実践的な参考資料を提供することを目指すべきです。 “`しました。この新発見は、ミトコンドリアゲノムの翻訳および機能に関する理解を拡大します。さらに、このタンパク質が哺乳類の初期発育および雌性の生殖能力において重要な調節作用を持つことを示しており、将来的には多能性幹細胞の維持および変換過程における潜在的な応用価値を持つことを示唆しています。

研究のハイライト

  1. 新しい翻訳パターンの解明：ミトコンドリア遺伝子cytbのmRNAが細胞質内で細胞質リボソームを介して標準的な遺伝暗号を使用して翻訳されることを初めて発見し、ミトコンドリアゲノムが細胞質内で果たす新たなメカニズムを説明しています。

  2. 新しい機能タンパク質の発見：新しいミトコンドリアコードタンパク質cytb-187aaを発見し、それが多能性幹細胞の変換および雌性マウスの生殖において重要な役割を果たしていることを確認しました。

  3. 新しい実験技術の応用：液相クロマトグラフィー・タンデム質量分析（LC-MS/MS）および定量プロテオミクス（PRM-MS）に基づく体系的な方法と、遺伝子編集技術を組み合わせて、新しいタンパク質の存在およびその機能を正確に検証しました。

研究の限界および今後の方向性

本研究はcytb-187aaの多能性状態の変換および生殖における調節作用を明らかにしましたが、その具体的な調節メカニズムについてはさらなる探求が必要です。今後の研究では、cytb-187aaがどのように細胞運命および遺伝子発現を調節するかを詳細に明らかにし、幹細胞療法および生殖医学に新たな理論的基盤と実践的な参考を提供することを目指すべきです。