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管敏鑫課題組在Nucleic Acids Research發文揭示線粒體tRNA堿基修飾缺陷致聾的分子機制

時間:2021-01-08

202114日,浙江大學醫學院遺傳學研究所管敏鑫教授課題組在國際權威學術期刊《核酸研究》(Nucleic Acids Research)在線發表了線粒體tRNA反密碼子環37位修飾缺陷導致母系遺傳性耳聾的最新研究成果(原文鏈接:https://doi.org/10.1093/nar/gkaa1225),該研究為核酸修飾異常引發的線粒體tRNA結構和功能變化導致聽力損傷的機制提出了新的見解,為耳聾的致病機制研究提供了新的視角。

聽力障礙可因遺傳和環境及其相互作用等多種因素導致。線粒體是真核細胞能量代謝的中心,也是細胞信號的調控中心,tRNA作為蛋白質合成過程中氨基酸的轉運載體起著關鍵性作用。線粒體tRNA存在大量的轉錄后修飾(8.7%),目前已知的18種修飾位于137個不同位點,在tRNA成熟、折疊、降解及蛋白質翻譯中發揮著重要功能。線粒體tRNA反密碼子環37位包含i6A,t6A,ms2i6A,m1G等多種修飾,其中YRDC/OSGEPL1負責人線粒體tRNAIle、tRNAAsn、tRNALys、tRNASer(AGY)tRNAThrt6A修飾,TRMT5負責線粒體tRNAAla、tRNAGln、tRNALeu(CUN)、和tRNAProm1G修飾。

管敏鑫教授團隊前期研究發現,與原核生物中負責tRNA m1G37修飾的TrmD相比,TRMT5表現出對反密碼子環序列識別的寬泛性,即不要求保守的G36,僅僅識別G37,且當原有的A37突變為G37時,TRMT5也同樣識別并催化修飾反應的進行,這意味著細胞內m1G37修飾可能存在tRNA反密碼子環37位特異性的調節平衡(Nucleic Acids Res 2016J Biol Chem 2017)。同時tRNAThr G15927A突變導致t6A37修飾水平的降低也嚴重影響了tRNAThr的穩態水平和氨基?;?,再次證明了37位修飾對維持tRNA結構與功能的重要性(Nucleic Acids Res 2019)。

本研究針對中國漢族2651個耳聾病人以及574個正常對照進行線粒體基因測序分析,鑒定了位于線粒體tRNAIle反密碼子環37m.4295A>G突變。該家系呈現明顯的母系遺傳模式,14個母系成員中9人表現出不同程度的聽力損傷,發病年齡23-50歲,未發現其他臨床表現。序列分析表明母系成員中m.4295A>G突變均為同質性突變。Primer extention實驗和體外修飾酶Trm5催化實驗表明m.4295A>G引入了新的m1G37修飾,改變了原有的t6A37修飾,同時導致tRNAIle反密碼子環的構象變化(Molecular Dynamics)。線粒體tRNA前體5’端體外酶切實驗分析表明,該突變影響了RNase P催化的線粒體tRNAIle前體的5’末端加工效率。此次研究發現也是管敏鑫教授圍繞“線粒體tRNA轉錄后剪切加工異常導致母系遺傳性耳聾分子機制”相關研究(Nucleic Acids Res 2020)的另一重大突破,是對該理論補充的又一強有力的證據。

  

轉線粒體融合細胞模型進一步研究發現該突變導致tRNAIle穩態水平和氨基?;降拿黠@下降。作為蛋白質合成中氨基酸的轉運載體,tRNA結構和功能障礙導致的蛋白質合成受阻引起線粒體內蛋白穩態失衡,呼吸鏈復合體氧化磷酸化活性降低,氧耗速率下降,線粒體ATP合成減少,線粒體膜電位降低,活性氧水平增加及細胞凋亡水平增高。內耳的毛細胞能量代謝水平需求較高,且毛細胞對內環境離子的穩定比較敏感,突變導致的線粒體供能不足和ROS增加加劇了內耳毛細胞損傷和凋亡,影響內耳功能,最終引發耳聾。

  

管敏鑫教授長期從事線粒體遺傳學和母系遺傳性疾病的基礎研究和臨床轉化,尤其在母系遺傳性和藥物性耳聾領域做出了重大貢獻,在分子致病機制研究中取得了一系列具有國際領先水平的創新性成果。該成果也是管敏鑫教授全職回國加盟浙江大學后發表在頂級生物化學與分子生物學期刊《核酸研究》(Nucleic Acids Research)上的第八篇學術論文。

該研究獲得國家自然科學基金和科技部重點研發計劃、浙江省自然科學基金和重點研發計劃等的支持。浙江大學醫學院附屬兒童醫院孟飛龍博士和博士后周覓(現在美國德克薩斯州西南醫學中心)為本文的第一作者,浙江大學醫學院遺傳學研究所/浙江大學醫學院附屬兒童醫院管敏鑫教授和王猛副教授為本文通訊作者。