2月22日，国际学术期刊Nucleic Acids Research在线发表了中国科学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)周小龙研究组与王恩多研究组合作研究成果“The human tRNA taurine modification enzyme GTPBP3 is an active GTPase linked to mitochondrial diseases”。
tRNA分子是细胞内所有RNA分子中，转录后修饰最为密集、修饰种类最为繁多的RNA分子。其中，发生在反密码子环第34位(Wobble 位)的修饰种类最为多样，调控反密码子-密码子配对的强度与广度，在遗传信息传递中精确调控基因表达。尽管三界生物共有多数tRNA修饰，但某些修饰，却局限在特定物种或细胞器中。例如，尿嘧啶牛磺酸修饰(τm5U) ，只发生在哺乳动物线粒体5种tRNA第34位，包括线粒体tRNALeu(UUR)以及tRNALys。进化分析提示，人GTPBP3 (hGTPBP3)以及人MTO1 (hMTO1)负责协同催化生成τm5U，且可能依赖hGTPBP3介导的GTP水解反应，但具体机制不详。τm5U修饰缺陷直接导致多种人类重大疾病。线粒体tRNALeu(UUR)基因A3243G突变造成τm5U修饰缺陷，导致MELAS (线粒体脑肌病伴乳酸中毒及中风样发作综合征)；线粒体tRNALys A8344G突变造成τm5U修饰缺陷，导致MERRF (肌阵挛性癫痫伴随红纤维病)；hGTPBP3、hMTO1突变导致先天性心脏病等。但长期以来，τm5U修饰从未被成功重组，致使这些突变致病的生化机制完全未知。西班牙一个研究组先前报道人hGTPBP3没有GTPase活力，使得人线粒体tRNA τm5U修饰及hGTPBP3突变导致疾病的机制更加令人费解。
本研究中，研究人员发现hGTPBP3以二聚体存在，建立了测定GTPase 活性的最适反应条件，首次证实hGTPBP3是一个有活力的GTPase，并测定了其酶反应动力学常数。通过体外生化分析，发现hGTPBP3单独的G结构域和缺失N-端结构域的hGTPBP3的GTPase活力很低，但是仍可二聚化。构建了一系列hGTPBP3致病突变体，细胞实验表明某些突变体通过泛素化途径降解，导致蛋白质稳态水平显著降低；体外酶动力学数据揭示，除了E459K突变体外，其它突变体的GTPase活力都显著下降。酵母遗传学互补实验显示仅D337H突变体可以维持酵母生长，表明其它致病突变影响体内tRNA的修饰，进而影响酵母的生长。进一步的研究表明，R3L突变会阻碍蛋白质进入线粒体；E142-R136和E159-R431之间的相互作用对hGTPBP3的结构和功能至关重要。此外，还发现了一个新的定位于细胞质的hGTPBP3同源异形体，命名为hGTPBP3-Iso7，暗示其在细胞质中有尚未揭示的新功能。
本研究首次证实hGTPBP3是一个有活力的GTP水解酶；建立了hGTPBP3水解GTP的详细机制；阐释了hGTPBP3基因上一系列致病点突变导致先天性心脏病的生化与细胞基础；发现了一个新颖的定位于细胞质的hGTPBP3同源异形体。以上研究结果为进一步成功重组τm5U修饰活力、阐明τm5U修饰机制、揭示发生在核基因组以及线粒体基因组中τm5U修饰缺陷导致相关人类疾病的分子机制奠定基础。
分子细胞卓越中心与上海科技大学联合培养博士研究生彭桂鑫为本文第一作者，周小龙研究员和王恩多研究员为本文共同通讯作者。分子细胞卓越中心李青润博士、上海交大医学院许泓教授参与了该研究；该研究得到了分子细胞卓越中心胡荣贵研究员、浙江大学管敏鑫教授的大力支持。该工作得到了科技部国家重点研发计划、基金委、中科院、上海市的经费资助。
hGTPBP3通过催化GTP水解介导线粒体tRNA第34位τm5U修饰
hGTPBP3基因通过mRNA可变剪接产生定位于细胞质的Iso7同源异形体(功能未知)；定位于线粒体的hGTPBP3与hMTO1相互作用介导τm5U修饰。一系列致病点突变导致hGTPBP3线粒体定位丧失、泛素化降解、GTPase活力下调等，影响τm5U修饰水平，进而导致呼吸链活性及线粒体稳态失衡。
