线粒体微蛋白调控内质网应激反应

微蛋白是一类由小开放阅读框 (small open reading frames, smORFs) 编译，通常少于100 个氨基酸的蛋白。与经典的多肽类激素和神经肽不同的是，微蛋白直接由smORFs翻译，无需经过前体蛋白切割而转化为有活性的成熟蛋白。目前对于微蛋白的研究是一个全新的领域。近年来得益于基因组测序、生物信息学、蛋白质组学以及化学生物学的发展，人们已经在生物体内检测到数千个新的微蛋白，并且越来越多的证据表明这些微蛋白在胚胎发育和组织代谢等生理活动中发挥着极其重要的作用【1】。2019年10月，Science杂志刊文报道了微蛋白领域的最新进展，其中加州大学旧金山分校的Jonathan Weissman教授对微蛋白的研究前景充满期待，他表示“For the first time, we are about to explore this universe of new proteins”【2】。目前，微蛋白领域核心的两个问题是未知微蛋白的预测和检测以及微蛋白的功能研究。美国索尔克研究所的Alan Saghatelian教授课题组长期致力于微蛋白的发现和功能表征，做出了一系列开创性的工作。该课题组通过有机结合基因组测序、生物信息学和蛋白质组学，开发出一套proteogenomics的实验平台，对来自同一组织或细胞的样品分别进行RNA测序、核糖体图谱分析以及质谱检测。该平台首先通过RNA测序获得全基因组转录的信息并产生出所有可能翻译成蛋白质的编码序列，接着通过核糖体图谱分析比对得出其中与核糖体结合的smORF序列，最后与质谱二级谱图（MS/MS）对比确定微蛋白的信息。通过这一平台，该课题组成功预测到约8000个微蛋白，并鉴定了400个微蛋白的表达【3, 4】。同时，Saghatelian课题组报道了其中三个微蛋白的生物功能，分别同DNA修复、mRNA降解和线粒体蛋白合成有关【5-7】。近日，Saghatelian课题组与由Uri Manor博士领导的索尔克研究所分子成像中心 (第一作者褚钱博士) 在Nature Communications发表文章Regulation of the ER stress response by a mitochondrial microprotein。该研究发现一个仅含有54个氨基酸的线粒体微蛋白PIGBOS可以调控内质网应激反应。内质网应激反应是一种细胞对于内质网内错误折叠蛋白的聚集所产生的响应。包括神经退行性疾病，糖尿病和癌症等在内的多种疾病都存在内质网应激反应失调【8】。目前人们对于内质网应激反应的机制尚不完全了解，尤其是线粒体在前期过程中所起的作用。因此，了解内质网应激反应机制，发现其中关键性的蛋白或信号通路，对相关疾病的诊断和治疗都具有重要的意义。研究者首先利用上文所述的proteogenomics平台发现了一个新的线粒体微蛋白-PIGBOS。PIGBOS 序列保守，存在于不同的物种中。进一步研究发现PIGBOS位于线粒体的外膜上。免疫共沉淀和APEX原位标记都证实PIGBOS与位于内质网膜的潜在氯离子通道CLCC1结合，这是目前发现的首例线粒体微蛋白和内质网蛋白的相互作用，也是第一个参与不同细胞器之间相互作用的微蛋白。之前的研究表明CLCC1的低表达使细胞对内质网刺激更加敏感，并进一步在小鼠体内产生神经退行性疾病的表型【9】，因此作者推断与CLCC1结合的PIGBOS也有可能参与内质网应激反应。利用RNAi和CRISPR-Cas9敲低或敲除PIGBOS后，作者发现细胞在更弱的刺激下产生更强的应激反应。有意思的是在PIGBOS敲除的细胞中回补野生型PIGBOS可以部分逆转应激反应，但是回补不能与CLCC1结合的PIGBOS突变体则不能产生这种效果，表明PIGBOS是通过与CLCC1的相互作用来调节内质网应激反应。下一步的研究将着重探究PIGBOS调节内质网应激反应的机理和其在小鼠体内的表型。综上所述，PIGBOS是至今首个报道的可调节内质网应激反应的线粒体蛋白，对深入研究内质网应激反应尤其是线粒体在其中的作用有着重要的意义，同时更为开展由内质网应激失调所产生的疾病治疗提供了理论基础。原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-12816-z.pdf参考文献：1. Saghatelian, A. & Couso, J. P. Discovery and characterization of smORF-encoded bioactive polypeptides. Nat Chem Biol 11, 909-916, (2015).2. Leslie, M. Outsize impact. Science 366, 296-299, (2019).3. Slavoff, S. A. et al. Peptidomic discovery of short open reading frame-encoded peptides in human cells. Nat Chem Biol 9, 59-64, (2013).4. Martinez, T. F. et al. An Improved Human smORF Annnotation Workflow Combining De Novo Transcriptome Assembly and Ribo-Seq. bioRxiv, 523860, (2019).5. Arnoult, N. et al. Regulation of DNA repair pathway choice in S and G2 phases by the NHEJ inhibitor CYREN. Nature 549, 548-552, (2017).6. D’Lima, N. G. et al. A human microprotein that interacts with the mRNA decapping complex. Nat Chem Biol 13, 174-180, (2017).7. Rathore, A. et al. MIEF1 Microprotein Regulates Mitochondrial Translation. Biochemistry 57, 5564-5575, (2018).8. Walter, P. & Ron, D. The unfolded protein response: from stress pathway to homeostatic regulation.Science 334, 1081-1086, (2011).9. Jia, Y., Jucius, T. J., Cook, S. A. & Ackerman, S. L. Loss of Clcc1 results in ER stress, misfolded protein accumulation, and neurodegeneration. J Neurosci 35, 3001-3009, (2015).
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