線粒體蛋白翻譯缺陷觸發心臟線粒體調控機制研究詳解
線粒體被稱為細胞的動力源泉，是由細胞核DNA（nDNA）和線粒體DNA（mtDNA）共同編碼的蛋白質構成的半自主細胞器。心肌細胞線粒體通過氧化磷酸化（OXPHOS）持續產生ATP對于維持心肌正常的功能至關重要。超過1000種nDNA編碼的蛋白質定位于線粒體，而mtDNA編碼10種以上的蛋白質，這些蛋白質都是線粒體氧化磷酸化系統中參與電子傳遞鏈（ETC）的重要組成部分。其中負責線粒體翻譯的線粒體核糖體蛋白（MRPs）由nDNA編碼，由胞質核糖體翻譯，然后轉運到線粒體。人類MRP缺乏與心血管疾病、癌癥、發育、神經退行性疾病、線粒體呼吸鏈疾病、肥胖和炎癥性疾病有關；已有報道證實MRPS6、MRPS10和MRPS22水平降低與心臟疾病相關。線粒體核糖體蛋白MRPS5，是線粒體翻譯機制的關鍵組成部分，在物種間高度保守；Mrps5突變影響線粒體核糖體翻譯的準確性；Mrps5缺失也會導致發育缺陷，這些缺陷被認為是由能量（ATP）產生減少引起的；ATP庫的減少將特別不利于具有高能量需求的器官如心臟和骨骼肌的發育。已有研究表明，心肌肥大影響線粒體的能量生成，但目前尚不清楚mtDNA的翻譯機制是否在心肌肥大過程中受到影響，也尚未確定任何機制來解釋線粒體中Mrps5依賴性蛋白質翻譯如何能夠轉導心臟基因表達。為此，浙江大學及哈佛醫學院/南佛羅里達大學科研工作者共同通訊在2023年Nature Communications發表題為《A defect in mitochondrial protein translation influences mitonuclear communication in the heart》的研究論文。
摘要：
該研究報告了Mrps5在心臟發育、病理性心臟肥大、心臟代謝和線粒體通訊中的關鍵作用。Mrps5缺乏癥將導致線粒體數量減少、活性氧(ROS)產生增加和線粒體功能受損；Mrps5缺乏引起的線粒體功能障礙與心臟發育異常、病理性心臟肥大和心力衰竭聯系起來。作者通過AAV9介導的基因治療方式在Mrps5缺失的心臟中補充Mrps5的下游靶基因Klf15顯著抑制心肌肥厚與心臟纖維化等病理進程，保護心臟功能。總之，這些研究數據揭示了心肌細胞中的線粒體核糖體翻譯缺陷如何能夠對心臟功能產生深遠的生物學意義。
結果：
為了深入了解Mrps5在心臟發育過程中的功能，作者將Mrps5fl/fl小鼠（Mrps5基因敲除前的條件小鼠）與cTnTCre小鼠（特異性靶向心臟啟動子肌鈣蛋白T2表達Cre重組酶轉基因小鼠）雜交，以產生早期心肌細胞特異性靶向Mrps5突變體Mrps5cKO；在三苯氧胺給藥后的Mrps5cKO小鼠，
心臟中Mrps5會特異性消融。在Mrps5消融后8周至18周，作者對Mrps5cKO和對照Mrps5fl/fl小鼠心臟組織的心肌細胞進行了一系列透射電子顯微鏡（TEM）檢查。在Mrps5消融后第8周，在Mrps5cKO和對照Mrps5fl/fl樣品之間沒有觀察到心肌細胞線粒體形態學的明顯差異；在Mrps5消融后第12周，Mrps5cKO小鼠心肌細胞線粒體嵴長度顯著減少；心肌細胞大部分線粒體嵴在Mrps5消融的18周內消失。作者通過奧地利Oroboros高精度氧化磷酸化功能表征系統沒有加藥槽數量限制、樣品無需貼壁處理及一次性深度表征線粒體氧化磷化各復合體的功能特點，測量了從Mrps5cKO和Mrps5fl/fl小鼠心臟組織中分離的心肌纖維的線粒體氧化磷酸化各個復合體的功能活性差異，發現它們在Mrps5消融后12周復合體I（添加PMG*+ADP底物后的OCR數值表征）、復合體II（添加Succ*底物后的OCR數值表征）、復合體IV（添加TMPD*+Asc*底物后的OCR數值表征）功能活性相對于Mrps5消融后8周開始降低，甚至在Mrps5消融后18周復合體I（添加PMG*+ADP底物后的OCR數值表征）、復合體II（添加Succ*底物后的OCR數值表征）功能活性相對于Mrps5消融后8周顯著降低。【*備注：P: 丙酮酸（Pyruvate）、M: 蘋果酸（Malate）、G: 谷氨酸（Glutamate）、琥珀酸（Succ）、2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇（TMPD）、抗壞血酸（Asc）】
心臟中Mrps5的缺失導致心臟肥大，表現為心臟本身的明顯增大。Mrps5的缺失同時也導致了明顯的線粒體功能障礙，為了更深入了解Mrps5在心臟功能的分子機制，作者在三苯氧胺誘導Mrps5消融12周后對Mrps5cKO和Mrps5fl/fll心臟進行了RNA測序分析及對Mrps5消融時下調的基因進行篩選，并且用成熟的AAV9基因遞送系統將候選基因引入Mrps5cKO小鼠中觀察是否可以挽救相關的心臟缺陷。發現Mrps5的下游靶基因Klf15過表達可以保護Mrps5cKO心臟的線粒體結構。在AAV9-Klf15/Mrps5cKO處理的心臟中，線粒體嵴結構得到改善，大部分保持完整，而對照AAV-Luci/Mrps5cKO處理的心臟顯示線粒體嵴破壞。
討論：
該研究揭示了線粒體自身編碼蛋白翻譯進程的關鍵調控MRPS5在心臟發育與生理功能中的重要作用。心肌細胞缺失MRPS5引起線粒體自身編碼蛋白翻譯進程停滯、線粒體結構破壞，導致線粒體氧化磷酸化代謝產能異常，心臟能量耗竭。同時MRPS5的缺失啟動線粒體與細胞核的信號互作調控，通過調控代謝物L-phenylalanine與轉錄因子c-myc 軸，抑制下游核內關鍵靶基因Klf15表達。而Klf15表達下調影響支鏈氨基酸降解通路以及心肌肥厚等病理進程與心臟功能。該研究揭示了心肌中線粒體自身蛋白翻譯機制缺陷觸發線粒體與細胞核之間的級聯網絡調控，為線粒體缺陷型心肌病及心衰治療提供了新的潛在靶標和理論基礎。
參考文獻：Feng Gao, et al. A defect in mitochondrial protein translation influences mitonuclear communication in the heart. Nature Communications , (2023)14:1595. https://doi.org/10.1038/s41467-023-37291-5.
