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Nature子刊:中科院生物物理所秦燕课题组揭示线粒体翻译与细胞质翻译协调机制

摘要 : 2016年4月11日,国际学术权威刊物自然出版集团旗下子刊《Nature Structural & Molecular Biology》杂志上在线在线发表了中国科学院生物物理研究所核酸生物学重点实验室秦燕课题组的研究成果,研究揭示了线粒体翻译与细胞质翻译之间的“协调”机制。

 2016年4月11日,国际学术权威刊物自然出版集团旗下子刊《Nature Structural & Molecular Biology》杂志上在线在线发表了中国科学院生物物理研究所核酸生物学重点实验室秦燕课题组的研究成果“Mammalian elongation factor 4 regulates mitochondrial translation and mTOR for spermatogenesis”,研究揭示了线粒体翻译与细胞质翻译之间的“协调”机制。研究工作由中科院生物物理研究所、中科院动物研究所、军事医学科学院以及天津科技大学等科研机构合作完成。生物物理研究所博士研究生高岩岩和博士后白秀峰为本文的并列第一作者,生物物理研究所秦燕研究员为论文的通讯作者。

蛋白质是组成细胞的基本物质,是生命活动的主要执行者,没有蛋白质就没有生命。指导蛋白质合成的遗传密码储存在DNA中,当细胞接收到外界指令后,遗传密码信息首先由DNA转移至mRNA,这一过程叫做“转录”,核糖体又进一步将mRNA上的信息转移至蛋白质,这一过程叫做“翻译”。

在哺乳动物细胞中共有两套翻译系统,其中一套位于细胞质中,由核糖体、tRNA及相关翻译因子组成,可根据mRNA上的信息合成相应的蛋白质发挥生物学功能。另一套翻译系统位于线粒体,能根据线粒体DNA上的遗传密码翻译产生13种蛋白质。然而,细胞质翻译系统与线粒体翻译系统之间的协调机制一直是个“待解之谜”。

线粒体翻译延伸因子4(mtEF4)是蛋白质翻译过程的质量控制因子,尽管该蛋白在进化上高度保守,但之前对多种模式生物的mtEF4基因敲除并未获得明显的表型变化。而在本项研究中,秦燕课题组的研究人员通过构建全身性mtEF4基因敲除鼠,幸运地发现mtEF4基因敲除引起雄性小鼠生殖细胞氧化磷酸化功能受损,从而导致雄性不育。

进一步研究发现,mtEF4敲除后,线粒体蛋白质翻译速率增加,但代价是蛋白质“合格率”下降,新生成的蛋白质“寿命”变短。为了与“提速”了的线粒体翻译步调一致,体细胞通过激活mTOR信号通路加速细胞质翻译来平衡这种变化。通过这种方式,体细胞成功化解了线粒体翻译速率升高带来的负面影响。而生精细胞的mTOR信号通路在mtEF4缺失的情况下活性反而下降,无法与线粒体翻译速率升高相协调,引起生精细胞线粒体复合物组装失败,精子成熟过程被迫停滞于圆形精子阶段,直接后果便是雄性不育。

该研究揭示了一种全新的细胞内信息交流途径(见下图):线粒体翻译与细胞质翻译之间可以通过mTOR信号通路维持动态平衡,当线粒体翻译速率升高时,mTOR信号通路激活,引起细胞质蛋白质翻译速率增加,以抵消线粒体翻译增加带来的压力,这是一种全新的进化适应机制。此外,该项研究还揭示了一种全新的男性不育发病途径,这对于男性不育的临床干预具有重要的借鉴意义。

图示:线粒体翻译与细胞质翻译交流机制

原文链接:

Mammalian elongation factor 4 regulates mitochondrial translation essential for spermatogenesis

原文摘要:

Elongation factor 4 (EF4) is a key quality-control factor in translation. Despite its high conservation throughout evolution, EF4 deletion in various organisms has not yielded a distinct phenotype. Here we report that genetic ablation of mitochondrial EF4 (mtEF4) in mice causes testis-specific dysfunction in oxidative phosphorylation, leading to male infertility. Deletion of mtEF4 accelerated mitochondrial translation at the cost of producing unstable proteins. Somatic tissues overcame this defect by activating mechanistic (mammalian) target of rapamycin (mTOR), thereby increasing rates of cytoplasmic translation to match rates of mitochondrial translation. However, in spermatogenic cells, the mTOR pathway was downregulated as part of the developmental program, and the resulting inability to compensate for accelerated mitochondrial translation caused cell-cycle arrest and apoptosis. We detected the same phenotype and molecular defects in germline-specific mtEF4-knockout mice. Thus, our study demonstrates cross-talk between mtEF4-dependent quality control in mitochondria and cytoplasmic mTOR signaling.

来源: Nature Structural & Molecular 浏览次数:0

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