Mol Cell | 微蛋白 SMIM26通过丝氨酸响应的线粒体翻译机制调控氧化代谢

撰文 | 阿童木

细胞的生长与增殖依赖于营养感应与代谢调控之间的精密协调。mTOR和AMPK是其中的关键信号通路，分别在营养充足或能量缺乏时被激活，指导细胞在合成代谢与分解代谢之间切换，从而维持生物合成与能量稳态。作为细胞内ATP的主要来源，线粒体的生物合成同样受到能量状态的严格调控。在能量不足或电子传递链（ETC）功能受损时，AMPK会激活PGC-1α介导的转录程序以增强线粒体生成；而在营养丰富的环境下，mTOR通路则促进线粒体合成，以满足细胞在增殖过程中的能量与代谢需求【1,2】。

小开放阅读框（sORF）编码的微蛋白（SEPs）是一类长度小于100个氨基酸的蛋白质，常由非经典编码区（如mRNA的非翻译区、lncRNA、内含子等）翻译而来。尽管基因组中存在数千个有翻译证据的SEPs，但其功能尚待揭示。SEPs通常具备疏水性、跨膜结构和富含碱性氨基酸的特征，使其易于定位于带负电的膜结构，尤其是线粒体【3】。已有研究表明，线粒体ETC中的蛋白约有三成属于SEP类别，提示其在能量代谢中具有重要作用。尽管正向遗传筛选已揭示部分SEPs的线粒体相关功能，但系统性的逆向遗传筛选仍较为缺乏，限制了这类蛋白功能的深入解析。

一碳代谢通过叶酸循环为细胞提供嘌呤、胸苷酸及谷胱甘肽等关键代谢中间体，其中丝氨酸是一碳单元的主要来源。该代谢网络还连接甲硫氨酸循环和牛磺酸合成，广泛参与细胞生长和抗氧化调节【4】。由于其在核苷酸合成中的核心作用，叶酸代谢是多种抗癌治疗的重要靶点。在急性髓系白血病（AML）中，抗叶酸药物如甲氨蝶呤（MTX）已显示出显著的治疗潜力。因此，识别调控叶酸代谢的关键SEPs，有望为一碳代谢依赖性癌症提供新的治疗靶点。

2025年6月26日，杜克-新加坡国立大学医学院 Lena Ho 实验室等在

Molecular Cell

Microprotein

SMIM26

drives oxidative metabolism via serine-responsive mitochondrial translation

作者首先整合超深度核糖体组数据（涵盖约7000个SEPs）、人类心脏组织数据的质量控制指标及线粒体功能注释基因，筛选出2534个SEP候选基因，并构建CRISPR gRNA文库。在对抗叶酸药物敏感的K562细胞中，以SHMT1/2抑制剂SHIN1为选择压力开展筛选，发现 LINC00493编码的95个氨基酸微蛋白SMIM26 在SHIN1处理和氧化培养条件下敲除后显著降低细胞增殖能力并增加细胞死亡率。SMIM26定位于线粒体内膜，其功能与MitoCarta3.0基因网络高度相关。SMIM26缺失降低细胞对外源甲酸的利用能力，提示其在维持线粒体叶酸循环中扮演重要角色。免疫荧光与APEX2标记实验证实SMIM26部分跨膜结构位于膜间隙和基质之间。WGCNA共表达分析显示 SMIM26 与氧化磷酸化和翻译过程密切相关，进一步支持 SMIM26 在线粒体代谢调控及一碳叶酸循环中的核心地位 。

在探究其分子机制时，作者发现SMIM26通过coIP/MS和APEX2标记与线粒体丝氨酸转运蛋白SFXN1/2以及线粒体核糖体大亚基形成稳定的互作复合物。SMIM26的13–44位氨基酸构成SFXN1结合域（SBD），其稳定性依赖SFXN1；61–76位氨基酸则构成核糖体结合域（RBD），与mito-LSU和TIMM21相互作用，支持新生ETC亚单位的翻译。虽然SFXN1与核糖体间的结合在SMIM26缺失后未完全丧失，但其结合构成和伴侣蛋白招募发生改变，提示 SMIM26调控SFXN1与核糖体间功能耦合，对线粒体翻译与复合体I组装具有重要调控作用 。

进一步功能实验表明，SMIM26缺失显著抑制SFXN1介导的线粒体丝氨酸输入，其程度与SFXN1敲除相当，重新表达SMIM26可逆转该效应。使用稳定同位素追踪发现， SMIM26缺失细胞中线粒体叶酸循环活性降低 ，dTTP的M+1/M+2比值下降，甲酸水平减少。代谢组学分析显示，甲硫氨酸循环与转硫化路径相关中间产物（如同型半胱氨酸、牛磺酸、谷胱甘肽等）含量显著下降，SMIM26补表达可部分恢复上述异常，表明 SMIM26通过调控SFXN1的丝氨酸输入，维持了线粒体一碳代谢及相关生物合成途径的正常功能 。

为了揭示其对线粒体翻译的具体影响，研究团队通过蛋白质组分析发现SMIM26缺失主要影响复合体I中膜臂PD模块（ND5所在），导致复合体I装配中断、功能下降，并伴随CIII2和CIV游离形式增加。复合体I亚组装体积聚于500–800 kDa区间，缺乏ND5模块，提示其翻译或整合步骤受阻。RBD或SBD结构域突变体同样引发类似缺陷，说明 SMIM26与SFXN1及核糖体的双重互作对ND5模块的生物合成和复合体I组装至关重要 。

机制研究表明， SMIM26 通过结合富含 ND5 mRNA 的线粒体核糖体，促进 ND5 特异性翻译，从而驱动复合体 I 组装 。 ND5 翻译依赖的 tRNA 需经叶酸循环产物（如 5-meTHF 和牛磺酸）修饰为τ m⁵U 、τ m⁵s²U 形式。 SMIM26 缺失使这些修饰水平下降， ND5 翻译效率降低，导致复合体 I 装配停滞。 “SFXN1-SMIM26-核糖体”的三联体机制通过将ND5翻译核糖体定位于一碳代谢产物附近，确保ND5高效翻译和复合体I组装 。

此外，SMIM26水平对叶酸通量和丝氨酸供给高度敏感。丝氨酸剥夺或MTX/SHIN1处理可降低SMIM26水平和其与SFXN1的结合，进而影响SFXN1相关核糖体对ND5 mRNA的富集并抑制复合体I装配，表明 SMIM26作为一碳代谢状态感应器调节线粒体翻译 。

体内实验显示，SMIM26纯合敲除小鼠在e9.5–e10.5期间胚胎致死，提示其对胚胎发育至关重要。在AML异种移植模型中，SMIM26敲除抑制OCI-AML2细胞的复合体I组装和呼吸功能，抑制增殖和侵袭性，提高宿主存活率；而补充叶酸可逆转该优势，进一步证实 SMIM26通过调控一碳代谢介导复合体I翻译及肿瘤进展 。

综上所述， 本研究通过SEPs的全基因组筛选鉴定出SMIM26作为营养状态感应与线粒体翻译之间的桥梁，协调丝氨酸代谢与复合体I组装。SMIM26通过促进ND5特异性翻译，使复合体I活性与一碳代谢状态动态匹配，从而调节细胞氧化还原平衡与代谢能力。

https://www.cell.com/molecular-cell/fulltext/S1097-2765(25)00472-1

制版人： 十一

参考文献

1. Trefts, E. Shaw, R.J. AMPK: restoring metabolic homeostasis over space and time.Mol. Cell.2021; 81:3677-3690.

2. Liu, G.Y. Sabatini, D.M. mTOR at the nexus of nutrition, growth, ageing and disease.Nat. Rev. Mol. Cell Biol.2020; 21:183-203.

3. Schlesinger, D. et al . A large-scale sORF screen identifies putative microproteins and provides insights into their interaction partners, localisation and function . Preprint atbioRxiv. 2023 .

4. Ducker, G.S. ∙ Rabinowitz, J.D. One-Carbon Metabolism in Health and Disease .Cell Metab.2017; 25:27-42 .

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