年11月9日，国际学术期刊《NucleicAcidsResearch》在线发表了国家儿童医学中心（上海）、上海交通大学医学院附属上海儿童医学中心王剑研究组与中科院分子细胞科学卓越创新中心（生物化学与细胞生物学研究所）周小龙研究组的最新合作研究成果“SelectivedegradationoftRNASer(AGY)istheprimarydriverformitochondrialseryl-tRNAsynthetase-relateddisease”（线粒体tRNA选择性降解是导致线粒体丝氨酰-tRNA合成酶突变相关疾病的关键分子机制）。
线粒体氨基酰-tRNA合成酶（mt-aaRS）是关键的蛋白质合成因子，通过催化线粒体tRNA的氨基酰化反应，为线粒体内的蛋白质合成提供原料。mt-aaRS基因突变可导致常染色体隐性遗传病，其临床表型以中枢神经系统受累最为显著，亦可累及肌肉、心脏等其他组织器官。此类疾病往往临床诊断困难，发病机制不明，治疗手段极为有限，亟待深入研究。
线粒体丝氨酰-tRNA合成酶（SARS2）催化线粒体两种tRNASer[hmtRNASer(AGY)hmtRNASer(UCN)]的氨基酰化反应，需要特别指出的是，其中hmtRNASer(AGY)由于缺乏D-茎/环结构，是人细胞中唯一没有倒L型三级结构的tRNA5。目前该基因突变病例十分罕见，已报道患者的表型主要分为两类，一类是致死性的HUPRA综合征，以高尿酸血症、肺动脉高压、肾衰竭和碱中毒为特征性表现；另一类主要表现为进行性痉挛性四肢轻瘫。
本研究报道了一例SARS2基因突变患者，该患者主要表现为肺动脉高压、大运动发育落后、癫痫反复发作、脑萎缩等，患者表型与已知SARS2基因突变导致的疾病既有重叠又有差异。全外显子组测序分析显示患者SARS2基因存在复合杂合突变，包括非经典剪接位点突变（c.-14TA）和移码突变（c.dupC），均为新发现的突变。c.-14TA导致内含子区12个碱基的滞留，进而导致在SARS2活性中心插入了4个氨基酸（该突变体命名为Ins12），而c.dupC突变导致SARS2C末端的缺失与异常延伸，置换了关键的C末端tRNA结合结构域（该突变体命名为dupC）。
SARS2突变导致线粒体疾病的致病机制
借助经典的生物化学技术方法，研究人员发现Ins12不能催化两种线粒体tRNASer的氨基酰化，但尚可激活Ser并且结合tRNA，表明活性中心4个氨基酸的插入无法将tRNA的CCA末端正确引导到催化活性位点；而dupC对两种线粒体tRNASer的氨基酰化活力均显著受损。通过结构生物学解析并结合Alphafold结构模拟，证实Ins12突变体活性中心的4个氨基酸插入破坏了SARS2的二聚化能力。进一步的研究发现患者来源细胞中的hmtRNASer(AGY)稳态水平显著降低，hmtRNASer(UCN)未受影响，提示hmtRNASer(AGY)的氨基酰化缺陷导致hmtRNASer(AGY)更容易降解。氨基酰化hmtRNASer(AGY)含量的不足进一步造成患者细胞线粒体翻译系统显著下调，并且导致线粒体呼吸链氧化磷酸化产能缺陷、糖酵解过程异常、细胞内活性氧异常增多、细胞凋亡水平升高、线粒体自噬活跃及线粒体动态平衡失调，引起线粒体的稳态失衡和功能障碍。动物实验表明两种突变的纯合子及复合杂合小鼠均存在早期胚胎致死现象，而Sars2Ins12与dupC杂合突变小鼠的骨骼肌组织存在两种tRNASer含量的显著下调、线粒体翻译受损以及线粒体形态异常。
综上，本研究鉴定了导致线粒体HUPRA综合征的SARS2新突变，扩展了SARS2缺陷相关的临床表型；利用分子、结构、细胞和遗传学方法与技术手段，系统解析了SARS2点突变对于SARS2结构与功能、线粒体翻译及功能的综合性影响，揭示hmtRNASer(AGY)选择性降解导致其稳态水平显著降低是SARS2基因突变导致线粒体疾病的致病机制，显著加深了我们对mt-aaRS功能缺陷相关线粒体疾病分子机理的认识。本研究为此类疾病的临床诊断、疾病干预与治疗策略开发提供了理论基础。
NationalChildrensMedicalCenter
作者信息
上海儿童医学中心郁婷婷副研究员和上海儿童医学中心-分子细胞卓越中心联合培养博士生张仪为本文共同第一作者，上海儿童医学中心王剑研究员和分子细胞卓越中心周小龙研究员为本文共同通讯作者。中科院有机所房鹏飞研究员参与了本研究，分子细胞卓越中心王恩多研究员、上海儿童医学中心李彦欣研究员提供了必要的帮助。本研究得到科技部、基金委、中科院等经费资助。
原标题：《上海儿童医学中心与中科院合作，揭示线粒体tRNA选择性降解导致HUPRA综合征的分子机制》