【线粒体翻译】 |线粒体翻译之谜破解！TACO1如何疏通蛋白质合成“堵点”？

导读：

~~揭开线粒体翻译的“交通堵塞”之谜~~​​

在细胞能量工厂线粒体中，蛋白质合成依赖于一套独特的翻译系统。然而，当蛋白质序列中出现连续脯氨酸（如PP或PPP）时，线粒体核糖体（mitoribosome）会“卡顿”，导致翻译停滞。这种现象类似于细菌中的EF-P或真核细胞中的eIF5A介导的救援机制，但线粒体中的对应因子长期未知。

 

本研究首次揭示：TACO1（一个与神经退行性疾病Leigh综合征相关的蛋白）正是这一缺失的关键因子。它通过缓解多脯氨酸序列引起的核糖体停滞，确保线粒体呼吸链核心蛋白（如COX1和COX3）的高效合成。这一发现不仅解开了线粒体翻译的分子机制谜题，还为相关疾病的治疗提供了新靶点。

 

 

文章索引：

标题：The human mitochondrial translation factor TACO1 alleviates mitoribosome stalling at polyproline stretches.

发表期刊：Nucleic Acids Research.

发表时间：2024.09

作者团队：迈阿密大学米勒医学院神经内科 Antoni Barrientos团队

IF：13.1

DOI：10.1093/nar/gkae645.

 

 

 

 

研究结果

（1）由于COX1 mRNA的异常翻译，TACO1的缺失导致细胞色素c氧化酶缺乏。

为了研究TACO1在线粒体翻译中的作用，作者构建了敲除（KO）TACO1的HEK293T细胞系（TACO1-KO）。在野生型（WT）、TACO1-KO和 TACO1 回补的HEK293T细胞模型中，TACO1缺失显著降低了COX1和COX2蛋白的稳态水平（图1A），同时BN-PAGE分析显示线粒体呼吸链复合物IV（CIV）的组装严重受损，而复合物II水平未受影响，这直接导致了细胞色素c氧化酶功能缺陷（图1B）。代谢标记实验进一步揭示，TACO1-KO细胞中³⁵S-甲硫氨酸标记的新合成线粒体蛋白出现异常：COX1的合成率降至约10%，COX3也中度下降，并伴随多个截断多肽（以星号标示）的积累（图1C）。

 

定量分析（图1D）显示COX1和COX3的合成显著减少，且分布图（图1E）突显了这些截断产物的特异性富集。值得注意的是，转录水平分析（图1F）表明COX1 mRNA丰度在TACO1-KO细胞中反而增加，这排除了转录缺陷的可能，并指向翻译延伸阶段的停滞。

 

为探究停滞机制，嘌呤霉素作用示意图（图1G）阐释了其作为酪氨酰tRNA类似物诱导新生链提前释放的原理；基于此，嘌呤霉素释放实验（图1H）证实，在TACO1-KO细胞中添加嘌呤霉素后，COX1的截断多肽（以星号标示）在脉冲标记初期（0'和10'）即大量释放，而在WT细胞中仅短暂出现，这表明TACO1 缺失导致核糖体在COX1翻译过程中持续停滞，无法高效完成多肽链延伸。

 

综上，TACO1是线粒体翻译的关键调节因子，其缺失通过COX1 mRNA的异常翻译引发能量代谢危机。

 

（2）TACO1结合线粒体核糖体并通过缓解多脯氨酸诱导的停滞正调控翻译

随后，作者通过SILAC蛋白质组学（图2A）和BioID邻近标记（图2B）证实TACO1特异性结合线粒体核糖体大亚基（mtLSU），尤其富集于A位点邻近的L7/L12柄区域（如bL12m/mL66），并与OXA1L插入酶互作，提示其参与翻译延伸的分子定位。

 

核糖体图谱分析（图2C）进一步揭示：TACO1缺失导致COX1 mRNA的核糖体在三个多脯氨酸基序（如第542位GCPPP）显著堆积，其中PPP基序停滞最强（红色峰值）。全局统计（图2D）显示TACO1对含≥2脯氨酸的序列（3脯氨酸区域占用率升高3.8倍）具有特异性救援功能。物种对比（图2E）指出人类线粒体蛋白含15个多脯氨酸基序（远超酵母的4个），且COX1独含PPP基序（红色箭头），从进化角度解释TACO1缺失在人类引发严重病理的必然性。

 

综上，TACO1通过结合mtLSU的翻译活性中心，选择性缓解多脯氨酸（尤其PPP基序）诱导的核糖体停滞，其功能是人类线粒体能量代谢维持的核心保障。

 

（3）在线粒体翻译过程中，TACO1和bL27m协同稳定PTC

最后，冷冻电镜结构（图3A）揭示bL27m（绿色）的N端结构域锚定于线粒体核糖体肽酰转移酶中心（PTC），直接稳定P位点tRNA（黑色）和新生链（橙色），为多脯氨酸翻译提供机械基础；代谢标记实验（图3B）显示TACO1缺失时，bL27m的N端突变（如S35A/S35F）进一步加剧翻译缺陷——COX1合成降至野生型（WT）的5%，且全局蛋白（如COX3、ND4）输出受损，而野生型bL27m表达可部分挽救表型；

 

密度定量分析（图3C）证实S35A突变使COX1合成显著降低（*P≤0.05），凸显bL27m S35残基作为功能枢纽；最终模型（图3D）阐释TACO1（红色）通过结合E位点，与bL27m形成“分子钳”稳定PTC构象，特异性解决多脯氨酸延伸的构象冲突（黄色箭头示意新生链延伸），这一协同机制为线粒体疾病治疗提供了靶向PTC的理论路径。

 

 

 

 

研究结论

本研究首次将TACO1定义为线粒体翻译延伸因子，革新了对其功能的认知：

•分子机制：TACO1通过结合mtLSU的E位点或邻近区域，稳定PTC和新生链构象，高效缓解多脯氨酸及部分非脯氨酸序列的核糖体停滞（类似细菌EF-P）。其与bL27m的协作是PTC功能的核心保障。

•生理意义：TACO1的缺失导致COX1/COX3合成障碍，进而引发呼吸链复合体IV（CIV）组装缺陷，这解释了TACO1突变相关Leigh综合征的病理基础——细胞能量危机。

•进化启示：人类线粒体蛋白的脯氨酸含量高于酵母，且COX1独含PPP基序，说明TACO1在高等生物中演化出更关键的适应性角色。

•应用前景：靶向TACO1或bL27m的稳定策略，可能为线粒体疾病提供新疗法。未来需通过冷冻电镜解析TACO1-核糖体复合物结构，以精确指导药物设计。

 

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