Nat Commun?|?王錦繁團隊揭示人類線粒體leaderless mRNA翻譯的動態(tài)機制

在大多數(shù)生命體系中， mRNA 翻譯就像閱讀一本說明書：真正的內容開始之前，總有一段 “ 前言 ”——5′UTR 。這段序列能夠幫助核糖體準確找到起始密碼子，從而保證蛋白質的正確合成。然而，人類線粒體mRNA幾乎沒有5′UTR，起始密碼子往往緊貼5′端，這類mRNA被稱為leaderless mRNA。換句話說，這是一份 “ 沒有前言的說明書 ” 。那么問題來了：線粒體核糖體究竟如何識別這些mRNA，并啟動翻譯？盡管對這一問題的研究已經持續(xù)了三十多年，其中的答案在近年逐漸演變成了一場學術爭議。

早期的生化研究提出了一種相對經典的模型： leaderless mRNA 首先與 核糖體 28S 小亞基結合，隨后再招募 39S 大亞基，最終形成完整的 55S 起始復合物。這一過程被稱為分步裝配模型（ Sequential loading model ）。由于這一機制在邏輯上與細菌翻譯系統(tǒng)相似，該模型在很長時間內被認為是線粒體翻譯起始的方式。然而，近年來，來自 瑞典 Joanna Rorbach 與其合作實驗室的結構與生化研究提出了完全不同的觀點。他們發(fā)現(xiàn)， 28S 小亞基不能結合 leaderless mRNA ，而只有完整的 55S 核糖體才可以結合 leaderless mRNA 。因此，他們提出了55S直接加載模型（ Direct monosome loading model ）。

于是，一個關鍵問題擺在研究者面前：線粒體翻譯起始究竟是通過分步裝配完成，還是只能通過55S直接加載？由于過去的研究主要依賴穩(wěn)態(tài)生化或結構觀察，缺乏動態(tài)層面的直接證據(jù)，這一問題始終難以定論。

2026 年 4 月 4 日，美國德克薩斯大學西南醫(yī)學中心 王錦繁 實驗室在 Nature Communications 在線發(fā)表題為 Mechanisms of human mitochondrial leaderless mRNA translation initiation 的研究論文（ 申雙杰 博士為論文第一作者）。 該研究通過單分子熒光與冷凍電鏡（ cryo-EM ）結構生物學相結合，首次直接解析了人類線粒體leaderless mRNA翻譯起始的動力學過程，不僅統(tǒng)一了長期對立的兩種模型，還提出了一個全新的“雙路徑”機制框架。

這項研究的關鍵突破來自單分子熒光技術。傳統(tǒng)生化實驗往往只能觀察大量分子的平均行為，而單分子技術能夠實時追蹤單個核糖體的動態(tài)變化。研究人員通過熒光標記核糖體亞基、 翻譯 起始因子 、 tRNA 以及 mRNA ， 在體外重構了一個人類線粒體翻譯起始系統(tǒng)，并直接觀察leaderless mRNA與線粒體核糖體結合的全過程。與此同時，冷凍電鏡結構分析提供了關鍵的空間信息，使研究人員能夠將動態(tài)過程與具體結構狀態(tài)對應。這種 “ 動態(tài)與結構結合 ” 的研究策略，使他們首次能夠真正解析線粒體翻譯起始是如何逐步發(fā)生的。

文章中的生化與單分子實驗結果顯示，在一條重要路徑中，28S小亞基首先在起始因子mtIF2的幫助下加載fMet-tRNAMet，隨后與leaderless mRNA相結合，形成一個穩(wěn)定的翻譯起始前體復合物（28S PIC），最后39S大亞基被招募并組裝成完整的55S核糖體翻譯起始復合物（55S IC）。這一結果直接挑戰(zhàn)了此前認為線粒體翻譯必須嚴格依賴55S直接加載的觀點。為了進一步理解該反應路徑，研究人員解析了 28S PIC 的高分辨率冷凍電鏡結構，不僅為這一反應機制提供了結構證據(jù)，還發(fā)現(xiàn) leaderless mRNA 上 5′ 端的起始密碼子與 fMet-tRNA Met 反密碼子的相互作用是 28S 小亞基與 leaderless mRNA 穩(wěn)定結合的關鍵基礎。

與此同時，研究人員也觀察到了此前 Rorbach 實驗室報道的 55S 直接加載路徑，即完整的55S核糖體可以直接加載到leaderless mRNA上，而無需先解離為亞基。換句話說，這項研究表明過去的爭議并非“誰對誰錯”，而是兩種反應路徑在體系中同時存在。

此外，這項研究最具突破性的貢獻之一，在于首次直接測定了線粒體翻譯起始的真實動力學。通過實時單分子追蹤，研究人員解析了兩條路徑中各個步驟的先后順序及其反應速率，從而建立了完整的動力學模型。研究還發(fā)現(xiàn)， 55S 直接加載路徑在一定條件下可以錯誤地利用缺少甲酰化修飾的 Met-tRNA Met 啟動翻譯，這一現(xiàn)象為某些 Leigh 綜合征患者中仍然能夠維持低水平線粒體翻譯活性的機制提供了潛在解釋。進一步實驗表明，這種 55S 直接加載路徑會受到起始因子 mtIF3 的顯著抑制，因此 mtIF3 可能在體系中充當一個重要的 “ 路徑選擇調控器 ” ，在不同條件下調節(jié)兩種機制之間的平衡。

這項研究的重要性不僅體現(xiàn)在基礎機制層面，也具有重要的生物學意義。首先，線粒體翻譯異常與多種遺傳疾病密切相關，例如 Leigh 綜合征等多種線粒體疾病。深入理解 leaderless mRNA 翻譯的動力學機制，有助于解釋某些突變如何影響線粒體蛋白的合成效率。其次，從進化角度來看， leaderless mRNA 被認為是一種較為原始的翻譯形式，在許多細菌和古菌中同樣廣泛存在。因此，人類線粒體翻譯系統(tǒng)可能保留了部分古老機制的特征，而雙路徑模式或許正反映了這一演化歷史的遺跡。最后，從方法學角度來看，該研究展示了單分子技術在解析復雜分子機器方面的巨大潛力。相比傳統(tǒng)穩(wěn)態(tài)方法，動力學信息能夠提供更加真實和精細的機制細節(jié)，使我們得以真正理解線粒體如何在沒有“前言”的情況下啟動蛋白翻譯。

招聘啟事 ：美國德克薩斯大學西南醫(yī)學中心 王錦繁 教授主要從事蛋白質翻譯機制與調控研究，其研究結果以第一作者或通訊作者發(fā)表于 Cell , Nature , Nature Communications 等期刊。現(xiàn)因研究發(fā)展需要，擬招聘博士后1-2名，歡迎具有生物化學，結構生物學，生物物理學，CRISPR篩選等研究背景的優(yōu)秀青年加入。課題組將提供良好的科研平臺，并全力為博士后長期職業(yè)發(fā)展提供支持。

https://www.nature.com/articles/s41467-026-71535-4

制版人： 十一

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