2月22日，國際學(xué)術(shù)期刊Nucleic Acids Research在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心(生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所)周小龍研究組與王恩多研究組合作研究成果“The human tRNA taurine modification enzyme GTPBP3 is an active GTPase linked to mitochondrial diseases”。

　　tRNA分子是細(xì)胞內(nèi)所有RNA分子中，轉(zhuǎn)錄后修飾最為密集、修飾種類最為繁多的RNA分子。其中，發(fā)生在反密碼子環(huán)第34位(Wobble 位)的修飾種類最為多樣，調(diào)控反密碼子-密碼子配對的強度與廣度，在遺傳信息傳遞中精確調(diào)控基因表達。盡管三界生物共有多數(shù)tRNA修飾，但某些修飾，卻局限在特定物種或細(xì)胞器中。例如，尿嘧啶?；撬嵝揎?τm5U) ，只發(fā)生在哺乳動物線粒體5種tRNA第34位，包括線粒體tRNA^Leu(UUR)以及tRNA^Lys。進化分析提示，人GTPBP3 (hGTPBP3)以及人MTO1 (hMTO1)負(fù)責(zé)協(xié)同催化生成τm⁵U，且可能依賴hGTPBP3介導(dǎo)的GTP水解反應(yīng)，但具體機制不詳。τm⁵U修飾缺陷直接導(dǎo)致多種人類重大疾病。線粒體tRNA^Leu(UUR)基因A3243G突變造成τm⁵U修飾缺陷，導(dǎo)致MELAS (線粒體腦肌病伴乳酸中毒及中風(fēng)樣發(fā)作綜合征)；線粒體tRNA^Lys A8344G突變造成τm⁵U修飾缺陷，導(dǎo)致MERRF (肌陣攣性癲癇伴隨紅纖維病)；hGTPBP3、hMTO1突變導(dǎo)致先天性心臟病等。但長期以來，τm⁵U修飾從未被成功重組，致使這些突變致病的生化機制完全未知。西班牙一個研究組先前報道人hGTPBP3沒有GTPase活力，使得人線粒體tRNA τm⁵U修飾及hGTPBP3突變導(dǎo)致疾病的機制更加令人費解。

　　本研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)hGTPBP3以二聚體存在，建立了測定GTPase 活性的最適反應(yīng)條件，首次證實hGTPBP3是一個有活力的GTPase，并測定了其酶反應(yīng)動力學(xué)常數(shù)。通過體外生化分析，發(fā)現(xiàn)hGTPBP3單獨的G結(jié)構(gòu)域和缺失N-端結(jié)構(gòu)域的hGTPBP3的GTPase活力很低，但是仍可二聚化。構(gòu)建了一系列hGTPBP3致病突變體，細(xì)胞實驗表明某些突變體通過泛素化途徑降解，導(dǎo)致蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)水平顯著降低；體外酶動力學(xué)數(shù)據(jù)揭示，除了E459K突變體外，其它突變體的GTPase活力都顯著下降。酵母遺傳學(xué)互補實驗顯示僅D337H突變體可以維持酵母生長，表明其它致病突變影響體內(nèi)tRNA的修飾，進而影響酵母的生長。進一步的研究表明，R3L突變會阻礙蛋白質(zhì)進入線粒體；E142-R136和E159-R431之間的相互作用對hGTPBP3的結(jié)構(gòu)和功能至關(guān)重要。此外，還發(fā)現(xiàn)了一個新的定位于細(xì)胞質(zhì)的hGTPBP3同源異形體，命名為hGTPBP3-Iso7，暗示其在細(xì)胞質(zhì)中有尚未揭示的新功能。

　　本研究首次證實hGTPBP3是一個有活力的GTP水解酶；建立了hGTPBP3水解GTP的詳細(xì)機制；闡釋了hGTPBP3基因上一系列致病點突變導(dǎo)致先天性心臟病的生化與細(xì)胞基礎(chǔ)；發(fā)現(xiàn)了一個新穎的定位于細(xì)胞質(zhì)的hGTPBP3同源異形體。以上研究結(jié)果為進一步成功重組τm⁵U修飾活力、闡明τm⁵U修飾機制、揭示發(fā)生在核基因組以及線粒體基因組中τm⁵U修飾缺陷導(dǎo)致相關(guān)人類疾病的分子機制奠定基礎(chǔ)。

　　分子細(xì)胞卓越中心與上海科技大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生彭桂鑫為本文第一作者，周小龍研究員和王恩多研究員為本文共同通訊作者。分子細(xì)胞卓越中心李青潤博士、上海交大醫(yī)學(xué)院許泓教授參與了該研究；該研究得到了分子細(xì)胞卓越中心胡榮貴研究員、浙江大學(xué)管敏鑫教授的大力支持。該工作得到了科技部國家重點研發(fā)計劃、基金委、中科院、上海市的經(jīng)費資助。

　　文章鏈接

hGTPBP3通過催化GTP水解介導(dǎo)線粒體tRNA第34位τm⁵U修飾

hGTPBP3基因通過mRNA可變剪接產(chǎn)生定位于細(xì)胞質(zhì)的Iso7同源異形體(功能未知)；定位于線粒體的hGTPBP3與hMTO1相互作用介導(dǎo)τm⁵U修飾。一系列致病點突變導(dǎo)致hGTPBP3線粒體定位喪失、泛素化降解、GTPase活力下調(diào)等，影響τm⁵U修飾水平，進而導(dǎo)致呼吸鏈活性及線粒體穩(wěn)態(tài)失衡。