Cell丨骆静川等开发新技术监测局部翻译并揭秘两大线粒体局部翻译机制

摘要：线粒体起源于约 15 亿年前，通过内共生作用演化自 α- 变形菌。尽管绝大多数线粒体基因已转移至细胞核，仍有少数（人类中为 13 个）保留在线粒体基因组中。传统观点认为，核编码的线粒体蛋白在合成后通过翻译后转运进线粒体。然而，近期研究发现，翻译机器和部分

线粒体起源于约 15 亿年前，通过内共生作用演化自 α- 变形菌。尽管绝大多数线粒体基因已转移至细胞核，仍有少数（人类中为 13 个）保留在线粒体基因组中。传统观点认为，核编码的线粒体蛋白在合成后通过翻译后转运进线粒体。然而，近期研究发现，翻译机器和部分 mRNA 位于线粒体外膜附近，这表明一部分蛋白质可能通过共翻译导入。但这种局部翻译的生理重要性和普遍性，尤其是在高等真核生物中，仍不清楚。

2025年8月27日，由麻省理工学院Jonathan Weissman团队（博士后骆静川为本文第一作者）在Cell上发表文章Proximity-specific ribosome profiling reveals the logic of localized mitochondrial translation。开发了一种灵敏且特异的光遗传学工具，用于监测哺乳动物细胞内亚细胞定位翻译。该工具揭示了线粒体表面翻译的两种不同机制。

为了监测局部翻译的蛋白，作者和斯坦福大学 Alice Ting团队合作开发了一种新的光遗传学工具 ——LOCL-TL ，利用蓝光调控的生物素连接酶（ LOV- BirA ），实现了在生理条件下对哺乳动物细胞内局部翻译的精确监测。该方法高度灵敏且特异，通过在 ER 系统中的基准测试，证实了其能够富集已知在 ER 膜上进行局部翻译的分泌蛋白。随后，他们应用 LOCL-TL 来鉴定在线粒体外膜上进行翻译的基因。

研究发现，约 20% 的核编码线粒体蛋白在线粒体表面进行局部翻译，并根据长度分为两组：长链蛋白（ >400 个氨基酸）富含线粒体基质代谢酶，而短链蛋白（

作者随后应用 LOCL-TL 技术，鉴定了在线粒体外膜（ OMM ）上进行翻译的基因。结果显示，该方法具有高度特异性， 99% 的监测到的线粒体 mRNA 在线粒体 APEX-seq 数据中也富集，后者用于标记线粒体附近的 mRNA 。他们发现，大约 20% 的核编码线粒体蛋白在线粒体上进行局部翻译。这些蛋白根据长度可分为两组：长链蛋白（ >400 个氨基酸）富含线粒体基质代谢酶，而短链蛋白（

长链蛋白的共翻译靶向机制

长链蛋白在细胞质中启动合成，随后通过共翻译靶向到线粒体上完成蛋白合成。顺式元件分析发现翻译后蛋白转运存在一种显性抑制机制，该区域会阻止 MTS 在翻译过程中靶向新生链。而共翻译靶向由一个双向信号驱动，该信号包含一个功能性的线粒体靶向信号（ MTS ）和一个缺乏翻译后转运的抑制机制的下游区域（ 100-350 个氨基酸）。一个合成的报告基因显示，仅含 MTS 和一个 700 个氨基酸的非结构化区域（不含任何线粒体的序列）就足以实现此过程。一个未来仍需解决的问题是这种抑制机制的本质，它可能涉及在翻译过程中参与线粒体靶向的伴侣蛋白或伴侣辅蛋白。通过与酵母局部翻译数据的比较，研究发现长链蛋白的局部翻译机制在酵母中也得以保守。由于这类蛋白通常起源于原核生物，这表明该机制是一种古老的、确保其正确合成和线粒体转运的方式。

共翻译的生理意义

细胞为何确保一部分大蛋白通过共翻译方式插入线粒体，而大部分则采用翻译后途径。这种策略可能是在不给易位子（ translocon ）机制造成过大负担的情况下，优先对部分 mRNA 进行共翻译插入。酵母研究表明，共翻译转运比翻译后转运更慢，因为其速率受到蛋白质合成速度的限制（在共翻译转运中，易位子在整个蛋白质合成过程中都被占据）。考虑到线粒体膜上易位子的数量有限，细胞需要限制共翻译导入的蛋白种类，以确保整个线粒体蛋白质组能及时导入。

作者将收集到的哺乳动物数据与酵母中线粒体局部翻译的研究进行比较。结果显示，在人类中进行局部翻译的大蛋白在酵母中也是局部翻译。有趣的是，这部分蛋白强烈富集了起源于原核生物的线粒体基因。这些证据表明，局部翻译是一种古老的机制，旨在优先确保原核起源蛋白的正确生产，并将其导入线粒体基质。

短链蛋白的RNA介导靶向机制

与长链蛋白不同，短链蛋白的定位靶向由 RNA 介导，不依赖于 MTS 和蛋白质翻译。一个仅包含 COX7A2 基因的非翻译区（ UTR ）、一个内含子和一个部分荧光蛋白 mCherry 序列的合成报告基因就足以实现靶向。但值得注意的是，短链编码序列（ CDS ）的局部靶向与蛋白转运进入线粒体是解偶的，后者仍需要功能性的 MTS 。

研究还发现，线粒体外膜蛋白 AKAP1 通过其 KH 结构域和 Tudor 结构域（而非 PKA- 螺旋）介导短链蛋白转录本的靶向。 RIP-qPCR 实验表明， AKAP1 特异性与进行局部翻译的短链蛋白相互作用，但不会与长链蛋白或编码胞质蛋白的 mRNA 相互作用。至关重要的是， AKAP1 变体特异性募集 mRNA 的能力与其介导局部翻译的能力精确相关。因此，短链蛋白在线粒体上的局部翻译是由 AKAP1 特异性结合并靶向 mRNA 的能力介导的。在 AKAP1 敲除突变体中，氧化磷酸化（ OXPHOS ）组分的丰度显著下降。这表明局部翻译可能是一种调控 OXPHOS 的新方式，因为 ETC 亚基在该通路中高度富集。

这个机制在酵母中并不存在。 AKAP1 也没有酵母同源物。考虑到酵母和人类电子传递链（ ETC ）途径（例如，酵母缺乏复合物 I ）以及线粒体基因组之间的显著差异，短链蛋白的局部翻译可能与线粒体基因组共同演化，以协调来自核基因和线粒体基因组的 ETC 亚基的表达。

总体而言，LOCL-TL的开发为研究局部翻译提供了一个通用工具。局部翻译在许多生物学过程中扮演着重要角色，例如突触可塑性、细胞器稳态、细胞迁移和胚胎发育。 mRNA 定位和翻译的失调与神经系统疾病和癌症等多种疾病相关。 LOCL-TL 方法有望在生理条件下，广泛用于研究在这些不同生物学背景下，局部翻译如何以及为何被利用，以确保蛋白质被高效地运送到其正确的亚细胞位置。

麻省理工学院Whitehead研究所骆静川博士为本文第一作者，Jonathan Weissman教授为本文通讯作者。

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(25)00916-X#au9

制版人：十一

学术合作组织