PNAS：首次发现RNA纠正线粒体突变新方法

　　

生物通报道：来自加州大学旧金山分校David Geffen医学院等处的研究人员发表了题为“Correcting human mitochondrial mutations with targeted RNA import”的文章，首次识别了一种能纠正人类线粒体突变的遗传方式，这种方式主要是通过靶定纠正RNAs实现的，这将有助于线粒体相关疾病的治疗。相关成果公布在《美国国家科学院院刊》（PNAS）杂志上。

文章的通讯作者分别是加州大学旧金山分校的Michael A. Teitell和Carla M. Koehler，其中Teitell教授表示，人类线粒体基因组中的突变包括神经肌肉疾病，代谢缺陷，以及衰老相关疾病，目前还没有方法能成功修复或者补偿这些突变。

线粒体常被描述成细胞内的发电厂，因为它们产生绝大多数细胞所需的能量。除了提供能量，线粒体也参与了多种细胞过程，包括信号，分化，死亡，对细胞周期和生长的控制。每年在美国有1000-4000个带有线粒体疾病的婴儿出生，而在成年人当中，许多衰老方面的疾病也与线粒体功能缺陷有关，比如糖尿病，帕金森综合症，心脏病，中风，阿兹海默症和癌症。

Teitell教授说，“我认为这一发现将改变这一现状”，“我们已经在这方面进行了多年的研究，采用了合理的方法，但是一些关键的步骤还是不清楚。现在我们研发了这种技术，下一步就是将已经进行的带有突变线粒体的人类细胞研究应用到动物模型中，最终应用到人体里。”

在之前的研究中，Teitell教授曾发现一种称为多核苷酸磷酸化酶（PNPASE）的蛋白在调节RNA进入线粒体时发挥作用，当减少PNPASE的表达时会降低RNA的进入，这会影响线粒体基因组编码RNA的过程。而这会影响维持电子传递连所需蛋白的合成。当降低PNPASE表达时，未经加工的线粒体RNA会积聚起来，蛋白翻译会受抑制，能量的产生受到阻碍，这将导致细胞生长的停滞。

而最新这项研究则通过补偿引发广泛疾病的突变，来达到线粒体基因治疗的目的。另外一位通讯作者Koehler表示，“这将为理解和发展线粒体治疗打开一扇窗”。

基因治疗过去常常是通过表达能治疗多种疾病成因的蛋白，来实现治疗的目的。而在这篇文章中，博士生王庚（Geng Wang，音译）则发展了一种新策略：靶向和导入在细胞核中的编码的特殊RNA分子，进入线粒体，从而表达能修复线粒体基因突变的蛋白。

首先研究人员要选择稳定的修复RNA，使之能从细胞核中出来，定位在线粒体外膜上，然后设计一段输出序列，帮助RNA进入线粒体。一旦RNAs出现在线粒体表面的运送器附近，那么第二段输送序列就能引导RNA进入靶向细胞器。有了这两段序列，就能靶向广谱RNAs，引导其进入线粒体，修复线粒体中缺陷，研究证明在两个不同的人类线粒体疾病细胞系模型中，这种方法能修复线粒体呼吸和能量的产生。

“这项研究表明广谱RNAs无论是否存在线粒体定位序列，都能通过靶向序列（与PNPASE相互作用）被引导进入线粒体，这是针对克服线粒体遗传失序症的一种令人激动，可普及化的方法。”（生物通：张迪）

原文摘要：

Correcting human mitochondrial mutations with targeted RNA import

Mutations in the human mitochondrial genome are implicated in neuromuscular diseases, metabolic defects, and aging. An efficient and simple mechanism for neutralizing deleterious mitochondrial DNA (mtDNA) alterations has unfortunately remained elusive. Here, we report that a 20-ribonucleotide stem-loop sequence from the H1 RNA, the RNA component of the human RNase P enzyme, appended to a nonimported RNA directs the import of the resultant RNA fusion transcript into human mitochondria. The methodology is effective for both noncoding RNAs, such as tRNAs, and mRNAs. The RNA import component, polynucleotide phosphorylase (PNPASE), facilitates transfer of this hybrid RNA into the mitochondrial matrix. In addition, nucleus-encoded mRNAs for mitochondrial proteins, such as the mRNA of human mitochondrial ribosomal protein S12 (MRPS12), contain regulatory sequences in their 3′-untranslated region (UTR) that confers localization to the mitochondrial outer membrane, which is postulated to aid in protein translocation after translation. We show that for some mitochondrial-encoded transcripts, such as COX2, a 3′-UTR localization sequence is not required for mRNA import, whereas for corrective mitochondrial-encoded tRNAs, appending the 3′-UTR localization sequence was essential for efficient fusion-transcript translocation into mitochondria. In vivo, functional defects in mitochondrial RNA (mtRNA) translation and cell respiration were reversed in two human disease lines. Thus, this study indicates that a wide range of RNAs can be targeted to mitochondria by appending a targeting sequence that interacts with PNPASE, with or without a mitochondrial localization sequence, providing an exciting, general approach for overcoming mitochondrial genetic disorders.