【线粒体翻译】 | 线粒体翻译的“守护者”：LRPPRC与SLIRP如何协同维持生命能量工厂的秩序

导读：

线粒体作为细胞的“能量工厂”，其内部有一套独立的遗传和翻译系统。人类线粒体DNA（mtDNA）编码13种关键蛋白，这些蛋白与核DNA编码的蛋白共同组装成氧化磷酸化（OXPHOS）复合物，负责产生能量货币ATP。然而，mtDNA的表达需要精细的调控，其中LRPPRC和SLIRP两种蛋白形成的复合物被视为关键“守护者”。它们的突变会导致严重的线粒体疾病（如Leigh综合征），但它们在体内如何协同工作仍是一个谜。

 

本期研究通过多组学分析和精巧的动物模型，揭示了这对蛋白如何维持线粒体翻译的充足性和有序性，为理解线粒体疾病提供了新视角。

 

文章索引：

标题：LRPPRC and SLIRP synergize to maintain sufficient and orderly mammalian mitochondrial translation.

发表期刊：Nucleic Acids Research.

发表时间：2024.08

作者团队：瑞典卡罗林斯卡学院  Nils-Göran Larsson 团队

IF：13.1

DOI：10.1093/nar/gkae662.

 

 

 

研究结果

（1）SLIRP的缺失导致复合体I蛋白水平降低

作者通过无标记定量蛋白质组学技术对Slirp^−/−小鼠的线粒体蛋白组进行了表征，结果发现，在心脏和肝脏中，复合体I亚基的水平均下降，而其他氧化磷酸化（OXPHOS）复合体的蛋白水平则保持正常（图1A-B）。

 

这种选择性损伤源于LRPPRC/SLIRP的相互依赖——Slirp缺失导致LRPPRC蛋白减少，但存在剂量效应阈值：在组织特异性Lrpprc^+/−心脏线粒体中，Lrpprc的水平为正常水平的50%，SLIRP的水平为正常水平的25%，但western blots检测复合物I亚基未见变化（图1C）。这表明，只有LRPPRC/SLIRP水平的急剧降低才会导致复合体I亚基水平的降低。心脏特异性Lrpprc ^{- / -}线粒体呈现出复合物I亚基的类似减少，尽管该模型导致进一步的蛋白质组学变化，包括复合物IV亚基的显著减少，从而导致更显著的表型（图1D）。

 

综合来看，作者对心脏和肝脏中Slirp^−/−线粒体的蛋白质组分析显示，复合体I蛋白亚基明显减少。然而，由于缺乏SLIRP所导致的mt-mRNA减少并未引起体内线粒体核糖体相互作用组的显著变化。

 

（2）LRPPRC/SLIRP互作界面的不可替代性​​

随后，作者利用CRISPR-Cas9技术构建了两种敲入小鼠模型，分别在LRPPRC或SLIRP的结合界面处引入了突变：LRPPRC基因中三个残基替换的Lrpprc^ki/ki小鼠模型（R437A、H439A和Y440A），以及SLIRP基因中三个残基替换的Slirp^ki/ki小鼠模型（图2A）。

 

在上述模型中发现双蛋白形成级联降解链：Lrpprc^ki/ki中SLIRP完全消失，Slirp^ki/ki中LRPPRC降至25%（图2C），导致多器官复合物I亚基NDUFA9下降40%（心脏/肝/肾）；同时触发转录组塌陷：肝脏mt-mRNA普遍下调，但12S/16S rRNA逆势上升（图2D-E），且ND1 mRNA多聚腺苷化缺陷（图2F）；这种互作崩塌引发胚胎发育危机：Lrpprc^ki/ki后代仅占16%（显著低于25%预期，图2B），并直接瓦解能量工厂：BN-PAGE显示心脏复合物I组装减少50%，ATP合酶异常堆积（图2G），证明LRPPRC/SLIRP的“分子拥抱”是维持线粒体稳态的生死开关。

 

（3）LRPPRC中的敲入突变导致ATP8翻译缺陷

为了评估敲入系中的蛋白质合成是否受损，作者通过在分离的线粒体中使用³⁵S-甲硫氨酸对新合成的蛋白质进行放射性标记，以追踪线粒体翻译过程。

 

在Lrpprc^ki/ki小鼠肝脏线粒体中，³⁵S-甲硫氨酸标记实验显示ATP8合成异常激增，而其他mtDNA编码蛋白（如COX1、ND1）合成普遍下降（图3A-B）；二维电泳（BN-PAGE/LDS-PAGE）进一步揭示ATP8在ATP合酶组装位点异常累积（图3C箭头），形成“孤岛式堆积”，而复合物I组装中间体减少，提示翻译失衡破坏OXPHOS复合物协同组装。

 

Polysome-qPCR发现mt-mRNAs异常沉降，本应富集于单核糖体峰（Fraction 8-9）的转录本向高分子量区域偏移（Fraction 12-16），且12S/16S rRNA出现多聚核糖体特征峰（图3D），证明LRPPRC失活导致核糖体在mRNA上“连环追尾”，引发翻译拥堵灾难。

 

（4）SLIRP缺失与mtDNA突变协同致死效应

缺乏SLIRP及其伴随的LRPPRC减少导致mt-mRNA水平显著下降，但残留的线粒体翻译能力仍足以维持正常的生理功能。为了研究线粒体翻译系统中独立缺陷是否会因SLIRP缺失而加剧，作者将Slirp^-/-小鼠与携带tRNA^ᴬˡᵃ基因m.C5024T突变的母系小鼠杂交（图4A），发现双突变胚胎完全致死。繁殖实验中该基因型存活率为0%，且平均每窝产仔数暴跌40%（图4B）。胚胎显示严重发育缺陷：体型萎缩、组织器官分化停滞（图4C）。

 

单细胞转录组分析揭示神经发育特异性危机：在m.C5024T突变胚胎中，脑相关细胞谱系的LRPPRC/SLIRP表达显著上调（图4D-E），表明神经系统对线粒体翻译缺陷极度敏感，双突变通过阻断能量供应通路引发胚胎发育“熔断”。

 

（5）Slirp缺失与mtDNA突变的“双重打击”效应

在携带tRNAᴬˡᵃ基因m.C5024T突变的胚胎成纤维细胞（MEFs）中，Slirp^-/-导致细胞增殖完全停滞---半乳糖培养基（依赖OXPHOS供能）中生长率暴跌80%，而葡萄糖培养基中仅轻度受损（图5A）。

 

分子机制上，双突变引发线粒体翻译全面崩溃：³⁵S标记显示新合成蛋白总量下降，其中复合物I核心亚基ND1↓60%、COX1↓55%（图5E-F）；同时​​复合物I结构性瓦解--NDUFA9蛋白水平，但mtDNA及rRNA未受影响（图5B-C）。值得注意的是，单独m.C5024T突变仅使翻译效率↓20%，而Slirp^-/-单独作用↓30%，证明双突变通过协同破坏翻译突破生存阈值（图5F），为线粒体疾病“二次打击”理论提供实验铁证。

 

 

研究结论

这项研究不仅揭示了LRPPRC和SLIRP作为线粒体翻译“协调员”的精细机制，还提供了理解组织特异性线粒体疾病的新框架。未来，针对这一通路的药物开发或许能为Leigh综合征等疾病带来希望。

 

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