【前沿进展】专家点评Cell Metab | 改写教科书：刘兴国组发现线粒体基因编码第14个蛋白质

点评｜陈晔光（中国科学院院士），宋保亮（中国科学院院士），高绍荣（中国科学院院士），刘陈立（中国科学院深圳先进技术研究院），陈玲玲（中国科学院分子细胞卓越中心）

动物细胞内，存在两套“DNA-RNA-蛋白质”的中心法则，分别由细胞核与线粒体的两套基因组进行编码。细胞核编码的信使RNA由细胞质核糖体翻译，而线粒体编码的信使RNA由线粒体核糖体翻译，两者的密码子不同。“人生不相见，动如参与商”， 这两套中心法则如同参星和商星一样独立运行。

Martin在1998年提出的内共生假说认为线粒体源自于一种好氧细菌。在长期进化过程中，这种好氧细菌进入体积较大的厌氧的古菌细胞中与之共生，逐步丢失对它们生存不重要的一些功能，并将原有的遗传信息大部分转移合并到宿主细胞，而变成现今真核细胞的线粒体【1】。在漫长的进化中，线粒体与细胞核相恋相依，成为动物细胞中唯一的拥有基因组的半自主细胞器，作为呼吸作用的能量工厂，在细胞的生老病死中发挥重要作用。线粒体许多功能需要将物质从线粒体内释放到细胞质或细胞核。刘兴国团队在国际上独辟蹊径，从活性氧簇【2,3】、代谢【4-6】、组分【7,8】等多个角度系统描述了线粒体反向调控细胞核的全新模式。线粒体基因组以类核形式存在【9】，众所周知，包括37个基因，其中13个基因编码信使RNA翻译为蛋白质，以及22个编码转运RNA、2个编码核糖体RNA。然而，两套中心法则是否存在交叉：线粒体基因组能否利用胞质核糖体翻译出新的蛋白，是生命科学中一个最基本的科学问题。

2024年5月 3日，中国科学院广州生物医药与健康研究院刘兴国课题组在Cell Metabolism期刊发表了题为A novel protein CYTB-187AA encoded by the mitochondrial gene CYTB modulates mammalian early development 的研究论文【10】。该研究发现并证实了线粒体基因细胞色素 b (CYTB)，作为唯一的呼吸链复合物III的线粒体编码基因，其信使RNA出线粒体而使用胞质核糖体的标准遗传密码编码全新的 187 个氨基酸长的蛋白质（CYTB-187AA），翻译后定位到线粒体基质中。这一新蛋白沉默的转基因敲入小鼠模型及细胞模型发现其调控早期发育。本工作发现了一种线粒体DNA编码胞质翻译蛋白的“线粒体约定”新模式(mtDNA-encoded proteins arising from cytosolic translation, mPACT)。本工作鉴定了线粒体信使RNA编码的第14种蛋白质的存在和调控早期发育功能，改写了教科书中“线粒体基因组编码13个蛋白”的论断，报道了细胞核中心法则和线粒体中心法则交互使用。

这一线粒体编码胞质翻译蛋白是否存在呢？刘兴国团队首先利用液相色谱串联质谱 (LC-MS/MS) 鉴定了CYTB-187AA的外源特征肽，在多株人、鼠的细胞中鉴定了多条匹配的内源特征肽。团队使用 MoonTag 系统可视化 CYTB-187AA信使RNA 在胞质核糖体的翻译，并使用定制CYTB-187AA特异性抗体通过蛋白免疫印迹在多株人、鼠的细胞中检测到了CYTB-187AA。刘兴国组通过比较线粒体基因组缺失细胞和野生型细胞，发现 CYTB-187AA 仅在后者表达，从而论证了这一新蛋白源于线粒体基因组编码。

这一蛋白在胞质翻译后定位到哪里呢？刘兴国团队惊奇的发现这一蛋白在胞质翻译后又回到了线粒体内。通过片段删除的方法，团队锁定了N端的37个氨基酸在靶向线粒体中起到了决定性作用。进一步通过超高分辨显微镜，团队清晰的标记了线粒体的双层膜的各个空间，论证了CYTB-187AA定位到线粒体内膜包裹的基质中。

这一蛋白发挥怎样的功能呢？团队敏锐的观察到：诱导多能干细胞（iPSC）与其来源的成纤维细胞或其分化的肝细胞相比，CYTB-187AA 在iPSC 中的表达量更高。于是，团队重点研究了CYTB-187A与多能性的关系。哺乳动物的多能干细胞有两种状态：原始态（naïve）和始发态（primed），分别对应着床前囊胚的内细胞团与着床后的外胚层细胞。CYTB-187AA是原始态所必需的，并调控两种状态的转换过程。机制上，CYTB-187AA通过与线粒体磷酸转运蛋白SLC25A3相互作用，以ATP依赖的方式进行调控。进一步，团队建立了 CYTB-187AA敲降小鼠模型进行体内功能的研究，惊奇的发现敲降的雌性小鼠的生育能力受到很大损害。团队按图索骥发现CYTB-187AA敲降导致卵泡数量减少这一发育障碍。

综上，在这项研究中，刘兴国团队首次发现了线粒体编码基因 CYTB 的双重翻译模式，其中母蛋白 CYTB 之外，CYTB基因还编码一个新的由胞质翻译的并定位于线粒体基质的蛋白 CYTB-187AA。因此，与在呼吸链复合物III中的 CYTB蛋白比较， 这一线粒体基因编码的第14个蛋白质CYTB-187AA与SLC25A3相互作用，异曲同工的调节能量过程。前者如同ATP的“生产工”，后者如同ATP原料的“搬运工”，如同能量太极的“阴阳互补”在早期发育中发挥重要重要。

本工作发现了线粒体DNA编码胞质翻译蛋白的“线粒体约定”新模式 (mtDNA-encoded proteins arising from cytosolic translation, mPACT)。其英文缩写PACT具有“约定”的含义。线粒体与细胞核二十亿年的进化中，线粒体与细胞核相恋相依，两套中心法则并不是“动如参与商”。“奈何等闲丝未尽，我以我心为探看”， 线粒体约定，用其部分信使RNA使用细胞核中心法则，这是全新的细胞器互作及中心法则交互事件。

图：线粒体基因CYTB编码胞质翻译的CYTB- 187AA调控早期发育

本研究与广州医科大学、中国科学院香港创新研究院、香港中文大学、广州实验室、南开大学和西湖大学等多个研究组合作完成。刘兴国研究员为文章唯一通讯作者。胡志娟、杨亮、张茂雷为文章的并列第一作者。

专家点评

陈晔光 院士（南昌大学/清华大学，细胞专家，中国细胞生物学学会监事长）

二十亿年前，线粒体像细菌从寄生逐步过渡到共生成为宿主细胞里的一种细胞器。在哺乳动物细胞内，包含两种基因组，即线粒体基因组和细胞核基因组。每个mtDNA含有37个基因，可用来编码13种蛋白质、22种tRNA与两种rRNA。其中的内含子较细胞核基因少，且有些不含内含子，如tRNA基因。线粒体DNA由于信息含量有限，不能编码合成整个线粒体所需的蛋白质。线粒体核糖体所合成的蛋白质种类也非常有限。因此线粒体的大部分组分是由细胞核DNA编码，在细胞质的核糖体上合成，然后再与线粒体自身合成的一些组分共同组装的。

在哺乳动物细胞内目前认为有两套翻译系统：细胞质标准遗传密码子和线粒体密码子翻译系统。写入教科书的观点认为线粒体采用自己独立的密码子系统翻译13个氧化磷酸化复合物的基本蛋白亚基。然而，在真核细胞内线粒体基因能否使用细胞质标准密码子翻译一直是科学界的待解之谜。

刘兴国团队通过特异性抗体富集结合高精度蛋白质谱策略发现线粒体基因CYTB能使用细胞质标准密码子翻译全新蛋白CYTB-187AA。有意思的是，CYTB翻译CYTB-187AA也定位在线粒体中，通过与核基因组翻译的SLC25A3蛋白相互作用调控ATP的产生，动物实验证明CYTB-187AA能在小鼠早期发育过程发挥重要的生物学功能。本次研究首次发现线粒体可使用细胞质标准密码翻译第14个功能蛋白，打破传统观点认为的线粒体基因只翻译13个蛋白的定律。线粒体基因可分别使用两套密码子翻译系统产生不同序列的功能蛋白，此种生命现象的发现为线粒体的基础生物学功能探索提供新角度。

专家点评

宋保亮 院士（武汉大学，代谢专家，中国细胞生物学学会理事长）

线粒体是能量代谢的主要细胞器，并与细胞的成活（氧化磷酸化）和死亡（凋亡）密切有关。呼吸链的氧化磷酸化异常与许多人类疾病有关。代谢重编程对于不同多能状态之间的转换至关重要，并且伴随着线粒体活性的动态变化。葡萄糖代谢开关是这一过程的一个关键方面，有研究报道，小鼠naïve 细胞的线粒体呼吸能力高于Primed状态，这可能是由细胞色素c氧化酶的高表达引起的。

刘兴国团队研究人员首次发现了线粒体编码基因 CYTB 的双重翻译模式，其中，除了在复合物 III 中产生 CYTB 之外，CYTB 还编码一种新的线粒体基质定位蛋白 CYTB-187AA，该蛋白使用标准遗传密码子由胞质核糖体翻译。因此，CYTB基因不仅可以生成在呼吸活动中发挥能量供应作用的CYTB蛋白，还可以生成CYTB-187AA，该蛋白可以与SLC25A3相互作用以调节ATP的产生，并最终影响胚胎早期发育。这一发现更加证实了线粒体来源ATP的调控对卵母细胞和早期胚胎的成熟至关重要，并揭示了一种新的线粒体与细胞之间的特殊纽带联系。

专家点评

高绍荣 院士（同济大学，发育专家，中国细胞生物学学会副理事长）

作为细胞内扮演着提供能源的角色，母系遗传的线粒体被称为细胞内的“发电厂”。线粒体有着自身的遗传基因，称为线粒体基因组。胚胎细胞中线粒体基因组相对含量是一种能量应力水平，有研究也指出线粒体基因组含量若提升就表示能源提供不足，线粒体功能异常可能导致胚胎发育受阻，线粒体是卵子中主要的能量来源，为受精过程提供必要的能量。线粒体功能异常会导致卵子质量下降，从而影响受精成功率。我团队以前的工作也表明核移植技术重编程有端粒和线粒体功能缺陷的供体细胞的能力比诱导多能干细胞技术更强。这些都表明线粒体对于哺乳动物的生育和早期发育至关重要。

刘兴国团队首次发现了线粒体DNA可以利用细胞质内的标准遗传密码子编码一个全新的线粒体蛋白CYTB-187AA，其在小鼠多能干细胞中高表达，且参与小鼠早期发育着床前后两个状态Primed-naïve转变过程。此外，刘兴国团队通过构建CYTB-187AA敲降小鼠，发现敲降CYTB-187AA可以通过减少雌性小鼠的卵泡数来降低雌性小鼠的生育能力。

本工作揭示的线粒体DNA编码胞质翻译的第14个蛋白是对早期发育父本母本基因组重构的重大发现，是父本线粒体基因组消失、亲本细胞核基因组表观调控之外的全新模式。受精后，精子的线粒体消失，卵子的线粒体保留，形成母系遗传的特性。同时，高度特化的精子和卵母细胞的细胞核表观基因组被重编程，以建立适合胚胎发育的全能性状态。刘兴国团队的工作表明来自母本的线粒体基因组利用胞质中心法则编码的新蛋白不但在卵子发育，而且在全能性状态的调控中发挥重要作用。

专家点评

刘陈立 研究员（中国科学院深圳先进技术研究院，合成专家）

能量对于生命的出现与进化是至关重要的。地球上从无生命到生命涌现、到真核生物诞生过程中，能量起了核心作用。自20世纪80年代初至今，学术界普遍认为哺乳动物的线粒体基因组长度约为16 kb, 除了rRNA和tRNA以外，只编码13个蛋白。这13个蛋白作为线粒体呼吸链的组成蛋白，在线粒体这一能量工厂中起了重要作用。

刘兴国实验室长期从事线粒体基因组的组装结构和从头合成的研究。在研究的过程中，他们对这一“常识性知识”大胆提出了质疑：线粒体基因组真的只能编码13个蛋白吗？提出好的科学问题代表着成功了一半。刘兴国带领团队经过严谨的质谱、成像、免疫印迹等实验数据，惊奇的发现线粒体基因细胞色素 b (CYTB)，转录成mRNA后进入胞质，利用细胞质核糖体的标准遗传密码，实现移码翻译，编码出第14个核糖体蛋白。而前人发现的另外13个线粒体蛋白都是在线粒体内利用线粒体核糖体翻译形成蛋白质。他们的工作还发现这第14个蛋白极大的调控了卵子发育、着床前后等哺乳动物的早期发育，表明这一进化中的“影子蛋白”以特异的能量模式调控多细胞生物的重要功能。

可以说，这一发现修正了近半个世纪以来教科书上“线粒体基因组编码13个蛋白”的结论，揭示了生命进化过程中线粒体中心法则借用细胞核中心法则来产生“影子蛋白”的一种新模式。

专家点评

陈玲玲 研究员（中国科学院分子细胞卓越中心，核酸专家）

线粒体作为细胞的处理器，在细胞能量供应、细胞凋亡、细胞信号传导和多种生物合成途径的调节中至关重要。线粒体拥有广泛的信号传导机制，可将线粒体信号传导至细胞和生物体。这些信号的性质包括离子、代谢物、化学物质、DNA 、RNA和蛋白质。这些输出将线粒体生物学的各个方面的信息传送到细胞核和其它细胞器。在特定的亚细胞位置和特定的细胞类型中，线粒体信号适应性的被转化为细胞和体液生理反应，从而影响机体功能。且有研究表明，线粒体DNA双链断裂后，BAX-BAK蛋白质在线粒体内膜打孔，从而造成线粒体RNA泄露，这些泄露的线粒体RNA被细胞质内识别双链RNA的蛋白质RIG-I识别，从而让细胞产生免疫应答反应，而泄漏的线粒体RNA包括12S RNA，tRNA，COX1，ND1，ND6等。线粒体DNA双向转录产生序列互补的双链RNA也可以以PNPase-依赖的方式从线粒体中释放出来，并被MDA5识别引起I型干扰素的反应。总之，线粒体RNA释放到细胞质中可参与多种生理病理过程调节，然而线粒体DNA来源的RNA能否释放到细胞质再利用胞质密码子编码新的线粒体蛋白还从未有过报道。

刘兴国团队研究人员首次发现了线粒体DNA可以利用细胞质内的标准遗传密码子编码一个全新的线粒体蛋白CYTB-187AA，该蛋白与SLC25A3相互作用通过调节ATP的产生以参与早期发育。这项研究是刘兴国团队在前期一系列研究线粒体反向调控细胞核功能机制的基础上，以线粒体为核心进行探索的又一项原创性工作。该研究不仅发现了CYTB mRNA可以从线粒体内输出到细胞质中利用胞质密码子编码蛋白，还提示线粒体RNA的输出可能存在多种途径，值得深入探究。

原文链接：

https://www.cell.com/cell-metabolism/abstract/S1550-4131(24)00132-3

来源：BioArt

参考文献

1, Martin W, Müller M. The hydrogen hypothesis for the first eukaryote. Nature 1998, 392: 37-41.

2, Ying Z, Xiang G, Zheng L, Tang H, Duan L, Lin X, Zhao Q, Chen K, Wu Y, Xing G, Lv Y, Li L, Yang L, Bao F, Long Q, Zhou Y, He X, Wang Y, Gao M, Pei D, Chan W, Liu X*, Short-term mitochondrial permeability transition pore opening modulates histone lysine methylation at the early phase of somatic cell reprogramming, Cell Metabolism, 2018, 28(6):935-945.

3. Ying Z, Chen K, Zheng L, Wu Y, Li L, Wang R, Long Q, Yang L, Guo J, Yao D, Li Y, Bao F, Xiang G, Liu J, Huang Q, Wu Z, Hutchins AP, Pei D, Liu X*, Transient activation of mitoflashes modulates Nanog at the early phase of somatic cell reprogramming, Cell Metabolism, 2016, 23(1):220-226.

4. Li L, Chen K, Wang T, Wu Y, Xing G, Chen M, Hao Z, Zhang C, Zhang J, Ma B, Liu Z, Yuan H, Liu Z, Long Q, Zhou Y, Qi J, Zhao D, Gao M, Pei D, Nie J, Ye D, Pan G, Liu X*, Glis1 facilitates induction of pluripotency via an epigenome–metabolome–epigenome signalling cascade, Nature Metabolism, 2020, 2(9):882-892.

5. Li W, Long Q, Wu H, Zhou Y, Duan L, Yuan H, Ding Y, Huang Y, Wu Y, Huang J, Liu D, Chen B, Zhang J, Qi J, Du S, Li L, Liu Y, Ruan Z, Liu Z, Liu Z, Zhao Y, Lu J, Wang J, Chan W, Liu X*. Nuclear localization of mitochondrial TCA cycle enzymes modulates pluripotency via histone acetylation. Nature Communications, 2022, 13(1):7414.

6. Yang L, Ruan Z, Lin X, Wang H, Xin Y, Tang H, Hu Z, Zhou Y, Wu Y, Wang J, Qin D, Lu G, Loomes K, Chan W, Liu X*. NAD+ dependent UPRmt activation underlies intestinal aging caused by mitochondrial DNA mutations. Nature Communications, 2024, 15: 546.

7. Wu Y, Chen K, Xing G, Li L, Ma B, Hu Z, Duan L, Liu X*, Phospholipid remodeling is critical for stem cell pluripotency by facilitating mesenchymal-to-epithelial transition, Science Advances, 2019, 5(11):eaax7525.

8. Wu Y, Chen K, Li L, Hao Z, Wang T, Liu Y, Xing G, Liu Z, Li H, Yuan H, Lu J, Zhang C, Zhang J, Zhao D, Wang J, Nie J, Ye D, Pan G, Chan W, Liu X*. Plin2-mediated lipid droplet mobilization accelerates exit from pluripotency by lipidomic remodeling and histone acetylation. Cell Death & Differentiation, 2022, 29(11):2316-2331.

9. Long Q, Zhou Y, Wu H, Du S, Hu M, Qi J, Li W, Guo J, Wu Y, Yang L, Xiang G, Wang L, Ye S, Wen J, Mao H, Wang J, Zhao H, Chan W, Liu J, Chen Y, Li P, Liu X*. Phase separation drives the self-assembly of mitochondrial nucleoids for transcription modulation, Nature Structural & Molecular Biology, 2021, 28(11):900-908.

10.Hu Z, Yang L, Zhang M, Tang H, Huang Y, Su Y, Ding Y, Li C, Wang M, Zhou Y, Zhang Q, Guo L, Wu Y, Wang Q, Liu N, Kang H, Bao F, Liu G, Wang J, Wang Y, Wang W, Lu G, Qin D, Pei D, Chan WY, Liu X*. (2024). A novel protein CYTB-187AA encoded by the mitochondrial gene CYTB modulates mammalian early development, Cell Metabolism May 03, 2024， DOI:https://doi.org/10.1016/j.cmet.2024.04.012

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原标题：《【前沿进展】专家点评Cell Metab | 改写教科书：刘兴国组发现线粒体基因编码第14个蛋白质》

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