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” 的文章。该研究发现并证实，除13个的线粒体基因编码的蛋白质外，线粒体基因细胞色素 b (cytb)可以产生一个线粒体基因编码胞质翻译 (mtdna-encoded proteins arising from cytosolic translation,mpact) 的新蛋白cytb-187aa，这一模式的英文缩写pact具有“约定”的含义，因此将这一新模式称为“线粒体约定”。进一步揭示 cytb-187aa在胞质翻译后定位到线粒体基质中，通过atp依赖的方式调控早期发育。
众所周知，教科书上写明哺乳动物的线粒体基因组包含37个基因，其中13个基因编码信使rna翻译为蛋白质、22个编码转运rna、2个编码核糖体rna。线粒体基因组编码的信使rna在内膜包裹的基质内，由线粒体核糖体翻译，形成内膜上呼吸链的13个蛋白质，在能量产生中发挥了核心作用。线粒体基因组中心法则的密码子，与细胞核在细胞质核糖体翻译的“标准密码子”存在明显不同。然而，线粒体基因组编码区是否可以使用细胞质标准遗传密码编码新的蛋白质？这是关乎中心法则的最基本科学问题。
作为唯一的呼吸链复合物iii的线粒体编码基因，刘兴国团队针对线粒体基因细胞色素 b (cytb)，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蛋白质进行分析，并制定了这一187个氨基酸长的新蛋白质的抗体。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。随后使用 moontag 系统可视化 cytb-187aa信使rna 在胞质核糖体的翻译，并通过western blot在多株人、鼠的细胞中检测到了cytb-187aa。为了验证其线粒体基因组来源，团队比较了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。
进一步，通过超高分辨显微镜，发现cytb-187aa在胞质翻译后定位到线粒体基质中，其中n端的37个氨基酸在靶向线粒体基质中起到了决定性作用。有趣的是，诱导多能干细胞（ipsc）与亲本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，这暗示cytb-187a与多能性存在重要关联。的确，在干细胞的始发态（primed）-原始态(naïve) 的两种多能性状态中，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。而在体内，刘兴国团队建立了 cytb-187aa敲降小鼠模型，发现 cytb-187aa敲降会减少卵泡数量，从而损害雌性生育能力。
该研究改写了教科书中“线粒体基因组编码13个蛋白”的论断，发现了线粒体基因组上编码复合物iii中细胞色素 b 的cytb基因可以使用胞质核糖体的标准遗传密码编码第14个全新蛋白质。线粒体与细胞核二十亿年前相遇，开始了真核生物的进化，而进化中，两者不同密码子的中心法则，“与君若只如初见，动若参商终不怨”，并不是象参星和商星一样独立运行。 “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，是两个中心法则交互事件。
其次，线粒体基因 cytb 的双重翻译模式：母蛋白 cytb 与cytb-187aa展示了线粒体能量的双重调控模式。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，在卵子发育、着床前后等早期发育中发挥重要作用。
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。本研究获国家重点研发项目、中国科学院、国家自然科学基金、广东省和广州市的经费支持。
图1 线粒体基因cytb编码胞质翻译的cytb- 187aa调控早期发育
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