摘要：在每个细胞的“能源中心”——线粒体（Mitochondria）中，每时每刻都在进行着决定生死的能量转换。然而，一个鲜为人知的事实是，线粒体虽然功能强大，却高度依赖“进口”。其运作所需的绝大多数（约99%）蛋白质，都并非“自产”，而是由细胞质中的“蛋白质工厂”—

在每个细胞的“能源中心”——线粒体（Mitochondria）中，每时每刻都在进行着决定生死的能量转换。然而，一个鲜为人知的事实是，线粒体虽然功能强大，却高度依赖“进口”。其运作所需的绝大多数（约99%）蛋白质，都并非“自产”，而是由细胞质中的“蛋白质工厂”——核糖体（Ribosome）——制造，再穿越重重障碍，“快递”到线粒体内部。

这个“快递”过程，传统上被认为是“完工后发货”的模式，即蛋白质在核糖体上完全合成、折叠成型后，再被运送到线粒体门口，这个过程被称为“翻译后转运”（Post-translational import）。然而，细胞的智慧远不止于此。近年的蛛丝马迹表明，可能还存在一种更高效、更“实时”的物流方式——“边生产边配送”，即蛋白质在核糖体上还在合成延伸时，其前端就已经被线粒体“签收”并开始导入。这种被称为“共翻译转运”（Cotranslational import）的机制，如同一个连接着生产线和仓库的传送带，理论上能大大提升效率，尤其是对于那些“大件”或“易碎”的蛋白质包裹。

这个神秘的“同步配送”系统究竟是如何运作的？它遵循怎样的规则？哪些蛋白质能享受这种VIP待遇？这些问题长久以来困扰着生命科学领域。8月11日，发表于《Cell》的研究报道“Principles of cotranslational mitochondrial protein import”，为我们揭开了这个细胞内精密物流系统的神秘面纱。研究团队通过巧妙的实验设计，为我们描绘了一幅前所未有的、关于线粒体蛋白质进口的动态画卷。

要研究一个动态的过程，最困难的莫过于捕捉到那个稍纵即逝的“瞬间”。为了精准地识别出哪些蛋白质正在通过“共翻译”的方式进入线粒体，研究人员开发并运用了一种名为“选择性核糖体图谱”（Selective Ribosome Profiling, SeRP）的技术。

这个技术的核心思想非常巧妙。我们可以把线粒体的外膜转运核心（Translocase of the Outer Membrane, TOM complex）想象成线粒体的“唯一入境大门”，所有从细胞质来的蛋白质都必须经过这里。研究人员首先给这个“大门”的一个关键组件（TOM22蛋白）装上了一个“分子把手”（TwinStrep tag）。这样一来，他们就可以像“钓鱼”一样，用特制的“鱼钩”将这个“大门”连同所有正与它紧密结合的分子一同从细胞中“钓”出来。

那么，钓出来的会是什么呢？如果一个蛋白质正在进行共翻译转运，那么合成它的核糖体就会像一辆正在卸货的卡车，紧紧地“停靠”在TOM这个“装卸平台”上。因此，钓出TOM复合体的同时，必然会一同捕获这些“停靠”的核糖体。核糖体在工作时，会像一个移动的阅读器，保护着它正在翻译的那一小段信使RNA（mRNA）不被降解。通过对这些被保护的mRNA片段进行深度测序，研究人员就能准确地知道，在他们“按下快门”的那一刻，究竟是哪些蛋白质正在TOM复合体的大门口被“现场合成”。

实验结果令人振奋。在所有被检测到的746种线粒体蛋白质中，研究人员发现有 137种（约18.4%）的蛋白质，其核糖体牢牢地“停靠”在TOM复合体上。这个数字为共翻译转运的存在提供了坚实的证据，表明近五分之一的线粒体蛋白质是通过这条高效通道进入的。

更有趣的是，研究人员将他们的数据与之前另一项利用APEX-seq技术绘制的“线粒体表面mRNA定位图谱”进行了对比。他们发现，那些在SeRP实验中被证实在TOM复合体上共翻译的蛋白质，其对应的mRNA也恰恰是那些被发现富集在线粒体表面的mRNA。两者之间存在着极强的正相关性（皮尔逊相关系数r = 0.72）。这进一步说明，共翻译转运是驱动mRNA定位在线粒体附近的关键机制，而非偶然的碰撞。

既然确定了这条“VIP通道”的存在，那么下一个自然而然的问题就是：什么样的蛋白质才有资格使用它？细胞的资源是有限的，这种精密的转运机制必定有其服务的偏好性，以实现效率最大化。

过去有一种流行的假说认为，共翻译转运主要是为了帮助那些“怕水”的膜蛋白。这些蛋白质包含疏水性的跨膜结构域（Transmembrane domains, TMDs），如果完全在细胞质的水性环境中合成完毕，这些“油性”的部分可能会因为无法与水相容而错误折叠、聚集，甚至引发毒性。因此，让它们在合成过程中就直接插入线粒体膜，似乎是完美的解决方案。

然而，这次的研究结果却给出了一个出人意料的答案。数据显示，在人类细胞中，共翻译转运的蛋白质与是否含有跨膜结构域之间并没有明显的偏好。许多复杂的、拥有多个跨膜结构域的蛋白（例如，线粒体代谢物载体家族的大部分成员）反而走的还是传统的“翻译后转运”途径。这表明，在人类细胞中，避免疏水结构域在细胞质中暴露，并非共翻译转运的首要任务。

那么，真正的“VIP”筛选标准是什么呢？研究人员通过对137种共翻译底物进行深入分析，发现了几个鲜明的特征：

首先是尺寸巨大。这些享受VIP待遇的蛋白质，绝大多数都非常庞大，其氨基酸长度普遍超过350个。相比之下，那些小分子量的蛋白质则几乎无一例外地采用翻译后转运。

其次是拓扑结构复杂。研究人员引入了一个名为“绝对接触序”（Absolute Contact Order, ACO）的物理量来描述蛋白质三维结构的复杂性。ACO值越高，意味着在蛋白质的最终折叠结构中，相互接触的氨基酸在序列上的距离越远，其折叠路径也更曲折、更困难。分析表明，共翻译转运的蛋白质，其ACO值显著高于翻译后转运的蛋白质。这就像试图将一根已经编织成复杂中国结的绳子穿过针眼，远比穿一根直线绳子要困难得多。

最后是多结构域。这些蛋白质往往由多个独立的结构域组成。蛋白质在折叠时，不同结构域之间的相互作用会增加其折叠的复杂性，使其更容易“走错路”，形成错误的折叠状态，或者一旦折叠完成就变得非常稳定，难以解开并穿过狭窄的TOM通道。数据显示，一个蛋白质拥有的结构域数量越多，它就越倾向于选择共翻译转运。

这三大特征共同指向了一个核心功能：共翻译转运是为了确保那些巨大、复杂、容易“迷路”或“卡壳”的蛋白质能够顺利、正确地完成折叠和定位。对于这些蛋白质而言，如果等到完全合成后再去转运，它们极有可能在细胞质中就已经错误折叠成一团乱麻，或者形成一个能量上极其稳定却无法通过转运通道的“死结”。而共翻译转运，则巧妙地解决了这个问题。它通过将蛋白质的折叠过程与转运过程耦合起来，利用线粒体转运通道的“引导”，确保这些“大家伙”能够以一种线性的、未折叠或部分折叠的状态进入线粒体，从而避免了在细胞质中的“意外”。

为了验证这一点，研究人员进行了一项体外（in vitro）线粒体输入实验。他们选择了两种典型的共翻译底物（NDUFS2和TRAP1），在体外模拟了共翻译和翻译后两种转运模式。结果清晰地显示，当线粒体在蛋白质翻译一开始就存在时（模拟共翻译），这两种蛋白质的输入效率极高；而如果等到蛋白质完全合成后再加入线粒体（模拟翻译后），它们的输入效率则大大降低。这证明，对于这些特定的蛋白质来说，共翻译通道是它们高效进入线粒体的生命线。

研究进行到这里，一个新的谜团浮出水面。我们知道，几乎所有需要进入线粒体的蛋白质，其“门票”都是一段位于蛋白质N端的、被称为“线粒体靶向序列”（Mitochondrial Targeting Sequence, MTS）的氨基酸片段。这段序列就像一个邮政编码，能够被TOM复合体识别。

按照常理推断，共翻译转运应该在MTS一从核糖体中合成出来（大约30-40个氨基酸的长度）就立刻开始。然而，SeRP的数据却描绘了一幅截然不同的景象。研究人员将所有共翻译蛋白质的数据进行整合分析，发现平均而言，蛋白质的转运起始点（即与TOM复合体发生稳定结合的时刻）并非在N端，而是在核糖体已经合成了大约350个氨基酸之后！

这是一个惊人的发现。MTS这张“门票”早已在手，为何蛋白质要在“门口”徘徊这么久，直到自身已经长成一个相当大的“半成品”后才真正开始“检票入场”？是什么机制导致了这种长达数百个氨基酸合成时间的“延迟”？

研究人员首先排除了一个可能性：一种被称为“新生肽链相关复合体”（Nascent polypeptide-Associated Complex, NAC）的分子伴侣。NAC是第一个与新生肽链结合的因子，它被认为在蛋白质分选中扮演着“哨兵”的角色。会不会是NAC一直“按住”MTS，阻止它过早与TOM复合体接触？为了检验这个假说，研究人员使用了“生长素诱导的降解”（Auxin-inducible degron, AID）系统。他们对细胞进行基因改造，使得在加入生长素后，细胞内的NAC蛋白会被迅速、完全地降解掉。然而，令人意外的是，即使在几乎没有NAC的情况下，线粒体蛋白质共翻译转运的起始时间和模式也几乎没有发生任何改变。这个结果明确地告诉我们，NAC并非导致转运延迟的“刹车片”。

那么，如果不是被主动“刹车”，会不会是新生肽链自身的原因？研究人员分析了另一个独立的、名为“选择性双核糖体图谱”（Selective Disome Profiling, DiSP）的数据集。这个技术可以捕捉到两条相邻的核糖体通过它们正在合成的肽链相互作用的瞬间。分析结果显示，在与TOM复合体结合之前，许多线粒体新生肽链正忙于与其他的核糖体新生肽链发生短暂的相互作用（co-co interactions）。这些短暂的、动态的“社交活动”可能像一张保护网，暂时将MTS包裹起来，使其无法接触到TOM复合体。有趣的是，这些“co-co”相互作用的信号，恰好在TOM复合体结合信号出现之前急剧下降。这就像一群朋友在门口聊天，直到需要进门的那一刻才散开。

这种“延迟”机制的存在，暗示了共翻译转运背后隐藏着比我们想象的更为复杂的调控逻辑。它不仅仅是一个简单的“识别-结合-转运”过程，而是一个被精确计时（timed）的、多步骤的事件。

如果MTS这张“门票”本身不足以立刻触发转运，那么一定存在一个“第二信号”。这个信号就像一个“秘密握手”或者一把特定的钥匙，只有当它出现时，被抑制的转运过程才会被激活。这个“第二信号”究竟是什么？

研究人员大胆地提出了一个假说：这个关键的触发信号，是新生肽链上一个足够大的、能够形成稳定三维结构的球状结构域（globular domain）从核糖体中完全“露”出来的那一刻。

为了验证这个假说，他们设计了一系列实验：

第一个实验，是比较一对“兄弟蛋白”——COQ8A和COQ8B。它们是功能相似的旁系同源蛋白，拥有高度保守的核心结构域，但其N端的非结构化区域长度相差约120个氨基酸。如果转运的起始仅仅取决于合成的长度，那么它们的转运起始点应该也相差120个氨基酸。但实验结果是，当以蛋白质的N端为起点计算时，它们的转运起始点的确相差了约120个氨基酸；然而，当研究人员巧妙地将它们的序列按照保守的核心结构域进行对齐后，发现转运的起始点几乎完全重合！这意味着，决定转运何时开始的，不是已经合成了多“长”，而是那个关键的、具有特定结构的“功能模块”是否已经合成完毕并从核糖体中暴露出来。

第二个实验，是“结构域移植”。研究人员选择了一个通常走“翻译后转运”途径的小蛋白MDH2。它本身不具备共翻译转运的能力。然后，他们像做“分子手术”一样，在MDH2的MTS和其成熟结构域之间，插入了一个来自共翻译蛋白ALDH5A1的、已知能触发转运的大型球状结构域I。奇迹发生了：被“嫁接”了新结构域的MDH2，摇身一变，从一个“翻译后”的普通蛋白，变成了一个能够进行“共翻译”的VIP蛋白！这个“获得功能”的实验极具说服力，证明了这个特定的球状结构域具有一种可移植的“触发”能力。

第三个实验，是“结构域重排”。他们选择了一个名为DLAT的复杂蛋白。DLAT的N端有三个较小的、独立折叠的结构域（I、II、III），C端则有一个巨大的结构域（IV）。正常的DLAT，其共翻译转运直到合成了近600个氨基酸，在那个巨大的C端结构域IV几乎完全出现后才开始。现在，研究人员将其结构域重新排列，把那个巨大的结构域IV放到了最前面，紧跟在MTS之后。结果，重排后的DLAT，其转运起始点大大提前，在合成了约250个氨基酸，也就是结构域IV刚刚出现时，转运就开始了。

这一系列环环相扣、层层递进的实验证据，共同构建了一个坚实的逻辑链条，最终指向了那个激动人心的结论：在共翻译转运中，MTS只是提供了“去哪里”的地址信息，而一个从核糖体中新出现的、稳定折叠的大型球状结构域，则提供了“何时去”的触发信号。这就像一个双重保险的门禁系统，你需要先刷对门卡（MTS），然后在正确的时间输入密码或进行指纹识别（暴露的球状结构域），大门才会为你敞开。

至此，一幅关于线粒体共翻译转运的全新图景清晰地呈现在我们眼前。它不再是一个简单的线性过程，而是一个多层次、被精巧调控的复杂网络，其核心是一种“先抑制，后激活”的策略。

在翻译的早期阶段，MTS虽然已经合成，但它被一种暂时的抑制机制所“屏蔽”，无法与TOM复合体结合。这种屏蔽可能是由于新生肽链与其他分子的短暂相互作用（如前文提到的co-co interaction），也可能存在其他未知的核糖体相关因子在发挥作用。这种早期的“延迟”，具有深远的生理意义。它避免了所有带MTS的蛋白质（包括大量的小蛋白）都在合成初期就涌向TOM复合体，从而极大地减轻了线粒体进口通道的“交通压力”。同时，它也保护了新生肽链不被细胞质中过分活跃的质量控制系统（如泛素连接酶）过早地识别和降解。

随着翻译的进行，当一个足够大的、能形成稳定结构的球状结构域从核糖体中出现时，它就像一个分子开关，解除了早期的抑制。这个新出现的结构域，其自身的折叠倾向可能强于之前那些非特异性的分子间相互作用，从而将MTS“释放”出来。或者，这个结构域暴露了新的结合位点，可以招募特定的分子伴侣，帮助它更有效地靶向TOM复合体。无论具体机制如何，这个“第二信号”的出现，标志着转运过程的正式启动。

这个巧妙的机制，完美地平衡了细胞内蛋白质转运的效率与准确性。它确保了只有那些真正“需要”走这条VIP通道的蛋白质——那些巨大、复杂、容易在细胞质中“出问题”的蛋白质——才会使用共翻译转运，而将宝贵的通道资源留给更紧急或更适合其他途径的蛋白质。这是一种对细胞资源的优化配置，是生命在漫长演化中磨练出的、令人赞叹的经济学智慧。

这项研究不仅为我们揭示了一个基础的细胞生物学过程的运作原理，也为理解相关的疾病提供了新的视角。许多遗传性线粒体疾病，都与蛋白质的错误折叠和错误定位有关。未来，深入探索这一共翻译转运的调控网络，或许能为这些疾病的治疗开辟全新的道路。

参考文献

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(25)00811-6

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来源：生物探索一点号1