mtDNA编码的小RNA可特异性结合线粒体转录酶调控mtDNA基因表达

2022年6月14日 0条评论 556次阅读 0人点赞

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线粒体是真核生物必不可少的细胞器，执行关键功能，从生成ATP和GTP等生物能量中间体，到合成核苷酸、Fe-S簇、血红素和氨基酸、Fe²⁺/Ca²⁺处理、炎症、和细胞凋亡等场景，都有其忙碌的身影，由于它们在这种细胞关系中的位置，决定了线粒体参与多种人类疾病，包括癌症、衰老和线粒体疾病（Scarpulla RC. 2008）。

线粒体的外部结构和细胞位置对其功能至关重要，并且依赖于高度调节的活动，例如线粒体分裂和融合、运动和束缚，这些活动控制着细胞内线粒体的整体形状、连通性和位置（图1）。

图1 线粒体动力学的作用（Nunnari J, Suomalainen A. 2012）。

线粒体疾病可影响任何器官系统，出现在任何年龄，并且取决于基因缺陷所在的位置，可以从常染色体、X染色体或母系遗传。目前，线粒体疾病无法治愈，可用的治疗方法旨在缓解症状。

背景介绍

哺乳动物线粒体虽然主要起源于α-变形菌，但其是由真核生物、古生菌、细菌和噬菌体提取并重组元素组成的进化嵌合体。在整个进化过程中，大多数线粒体遗传信息都转移到了细胞核中，然而，其自身却保留了一个基因组，即线粒体DNA（mitochondrial DNA，mtDNA），以维持一定程度的细胞调控，并通过一系列尚未被完全解释清楚的反向信号与细胞核保持沟通（Gammage PA, Frezza C. 2019）。人类mtDNA是一个16.5kb的环状基因组，由一条重链（H-strand）和一条轻链（L-strand）组成，其基因组的非编码区（NCR）包含L链和H链启动子即LSP和HSP（图2）。根据细胞的类型，每种细胞大约存在100-1000个线粒体，每个线粒体都含有多个mtDNA拷贝（10-10,000）。

图2 人类mtDNA示意图（Fontana GA, Gahlon HL. 2020）。

据报道，mtDNA的转录由单亚基线粒体RNA聚合酶（POLRMT）驱动，并产生多顺反子RNA，可编码氧化磷酸化系统的基本蛋白质亚基以及翻译线粒体基因所需的rRNA和tRNA分子。

POLRMT是聚合酶A家族的成员，包括四个主要结构域：N端延伸、五肽重复（PPR）结构域、N端结构域和含有催化核心的C端结构域（CTD）。相较于核基因组中的非编码RNA分子显示出的多种功能，线粒体基因组包含很少的非编码信息，其产生的一种非编码RNA分子——7S RNA，构成了许多细胞类型中总线粒体RNA的很大一部分。

2022年6月2日，瑞典哥德堡大学和卡罗琳斯卡医学院Martin Hällberg团队在Cell上发表了题为“Non-coding 7S RNA inhibits transcription via mitochondrial RNA polymerase dimerization”的研究论文。在本研究中，团队揭示了一个全新的线粒体基因调控机制：一个mtDNA自身编码的非编码7S RNA可特异性结合到线粒体转录酶（POLRMT）上，诱导其构象变化，从而控制mtDNA的基因表达（图3）。该发现为治疗诸多相关疾病提供了新的思路。

图3 本文图形概要示意图。

实验方法

在研究过程中，团队选择以HeLa细胞为材料，首先通过试剂盒提取总基因组DNA与RNA，并通过qPCR、Northern blot、DNase I Footprinting、RNase I Footprinting、免疫荧光、FISH等技术对mtDNA、线粒体mRNA、tRNA水平进行监测；其次，分离线粒体后，再次提取线粒体RNA，以进行从头转录和从头复制测定。重要的是，重组7S RNA是在体外产生的，磷光成像检测了7S RNA降解程度，并通过尺寸排阻色谱法测试7S RNA和POLRMT之间的复合物形成，微量热泳（MST）分析7S RNA对POLRMT结合亲和力的影响。实验中，团队主要采用低温电子显微镜（cryo-EM）、色谱仪、共聚焦显微镜、受激发射衰减显微镜（STED）等仪器对实验结果进行可视化分析。

参考文献

Fontana GA, Gahlon HL. Mechanisms of replication and repair in mitochondrial DNA deletion formation. Nucleic Acids Res. 2020;48(20):11244-11258.Gammage PA, Frezza C. Mitochondrial DNA: the overlooked oncogenome?. BMC Biol. 2019;17(1):53.

Nunnari J, Suomalainen A. Mitochondria: in sickness and in health. Cell. 2012;148(6):1145-1159.

Scarpulla RC. Transcriptional paradigms in mammalian mitochondrial biogenesis and function. Physiol Rev. 2008;88(2):611-638.

Zhu X, Xie X, Das H, et al. Non-coding 7S RNA inhibits transcription via mitochondrial RNA polymerase dimerization. Cell. 2022;S0092-8674(22)00590-6.