专家点评Nat Commun丨刘兴国组发现全新“暗物质蛋白”作为胚胎发育命运的细胞质“开关”|刘兴国|多能干细胞|暗物质蛋白|线粒体|翻译

点评｜高绍荣（同济大学），陈玲玲（中国科学院分子细胞卓越中心）

赵世民（复旦大学），温文玉（复旦大学）

动物细胞内，存在两套“ DNA-RNA- 蛋白质 ” 的中心法则，分别由细胞核与线粒体的两套基因组进行编码。这两个具有遗传物质的细胞器在多能干细胞命运与发育中发挥重要作用。刘兴国团队在国际上独辟蹊径，从线粒体信号【1-3】、代谢【4-6】、组分重塑【7-9】等多个角度系统描述了线粒体反向调控细胞核的全新模式，同时也发现线粒体用其部分信使 RNA （ m RNA ）使用细胞核中心法则翻译出第 1 4 个蛋白质，揭示全新的线粒体与细胞核的中心法则交互使用的模式【10】。

翻译与代谢的相互调控是细胞可塑性的基础。胚胎早期发育可分为着床前和着床后两个阶段，对应着体外培养时两种稳定且可互相转变的多能性干细胞状态：原始态（ Naïve ）与始发态（ Primed ）。早期发育与多能干细胞命运在表观遗传、转录、代谢等层次进行了深入研究，而在翻译阶段，以往研究主要聚焦于已知蛋白的翻译，基因组中是否存在未被挖掘的“暗物质蛋白”调控代谢与早期发育，仍然是一个谜。

2 025 年 1 1 月 2 6 日，中国科学院广州生物医药与健康研究院刘兴国团队在 Nature Communications 期刊上发表了题为

Microprotein PLUM encoded by Lin28b uORF is a cytoplasmic determinant of pluripotency and embryonic development

的研究论文，发现多能性代谢因子Lin28b上游5UTR的选择性翻译可产生一个全新蛋白PLUM（ Pluripotency-associated Lin28b uORF-encoded Microprotein ），而这一翻译特异发生在着床后的 Prime d 状态。 PLUM 敲除可促使小鼠 Primed 状态多能干细胞以接近 100% 的效率同步转变为 Naïve 状态，并可导致小鼠胚胎着床缺陷。机制上， PLUM 与 RNA 结合蛋白 L1td1 相互作用调控其相分离能力，并影响 P 颗粒组装，从而调控多能性与线粒体呼吸链复合物基因表达。本工作揭示了多能干细胞中首个由非经典阅读框编码的功能蛋白 PLUM ，在亚细胞水平连接无膜细胞器的 R NA 调控与线粒体代谢的翻译重塑，在多能性与胚胎发育中发挥关键的决定性作用。

团队首先利用核糖体测序系统分析了体细胞与不同多能性状态干细胞中的翻译变化，筛选鉴定出差异翻译的非经典阅读框。其中，多能代谢因子 Lin28b 5 ’ UTR 区 uORF 在 Primed 多能性状态中发生特异翻译，可能编码一个哺乳动物高度保守的全新蛋白，命名为 PLUM 。进一步结合质谱，密码子突变，定制抗体等手段证实了 PLUM 存在，并发现其在胞质呈点状聚集分布。随后，研究者构建了 PLUM 敲除的多能干细胞系及小鼠模型，发现 PLUM 敲除可促使小鼠 Primed 状态多能干细胞以接近 100% 的效率同步转变为 Naïve 状态，并导致体内胚胎着床缺陷，表明 PLUM 具有决定性的强大功能。

机制探索中，团队进行了时间序列的转录组分析，发现 PLUM 敲除改变了 Naïve 多能性基因表达的模式，加速了 Naïve 基因更均一的表达。值得注意的是， PLUM 敲除使线粒体呼吸链复合物相关基因表达在转变早期骤然升高，表明线粒体代谢在其中起关键作用。进一步研究发现 PLUM 与 RNA 结合蛋白 L1td1 直接互作，而 RNA 结合结构域 RBDL2 是 PLUM-L1td1 互作的关键。 L1td1 在胞质中通过相分离形成点状凝聚体，而 PLUM 敲除会破坏这一结构，使 L1td1 聚集完全消失，并彻底改变其在多能性 Primed - Naïve 转换中的功能。接下来，团队利用 eCLIP-seq 分析了 L1td1 结合的下游 RNA ，发现 PLUM 敲除改变了 L1td1 结合的下游靶标，使 L1td1 特异结合 Naïve 多能性基因 Tfcp2l1 和 Zfp42 的 mRNA ，从而提高了它们的 RNA 稳定性。而 Tfcp2l1 可直接结合并激活 Naïve 和线粒体呼吸链复合物基因的表达。另一方面， PLUM 敲除也破坏了细胞中负责 mRNA 降解的 P 颗粒，研究团队利用 GFP-LSM14A 分离纯化 P 颗粒后分析发现，其中富集编码线粒体呼吸链 I 和 V 的基因 mRNA ，提示 PLUM 可能通过 P 颗粒组装调控线粒体呼吸功能。结合基因敲除小鼠及胚胎移植实验，研究团队发现 PLUM 的缺失会引发线粒体异常活化，最终导致胚胎着床率显著下降。

综上，基因组中大量“非编码区”曾被视作 “暗物质” ，而今，刘兴国团队揭示这一 PLUM 的新蛋白，竟掌控着干细胞命运的 “ 开关 ” ，是迄今为止极少数能实现 “ 决定性诱导 ” 的细胞因子之一，更惊人的是，PLUM的缺失会导致小鼠胚胎着床失败，说明它在生命最初阶段扮演着不可或缺的角色。机制研究将“RNA调控—相分离—线粒体代谢”三者串联，揭示细胞质事件如何反向决定细胞核的多能性状态。该研究不仅为理解多能干细胞命运决定提供全新视角，也为优化多能干细胞状态、改善辅助生殖胚胎质量提供了全新的理论基础与潜在干预靶点。

PLUM 的中文含义是“青梅”。李白的一首《静夜思》倾诉了床前思念的情景，“ implantation- 着床”这一早期发育的重要阶段中，“ PLUM - 青梅”起了决定性作用，正是 “ 明月浸虚堂，孤影怯着床 ” 。李白的另一首《长干行》是“青梅竹马”这一成语的来源，正是“ 遥望竹马来，共弄青梅香 ”。

本研究刘兴国研究员为文章唯一通讯作者。郝志红、邬毅、黄奕乐、张茂雷为文章的并列第一作者。

专家点评

高绍荣院士（同济大学）

多能干细胞具备无限自我更新能力和分化为三胚层细胞类型的潜能，是研究胚胎发育、细胞命运决定以及推动再生医学应用的核心模型。多能性状态的建立与维持传统上被认为主要依赖核层面的关键转录因子网络和表观遗传修饰。然而，近年来的研究不断揭示，多能性还受到多类细胞质层面的调控过程影响，包括代谢重塑、 mRNA 翻译、蛋白质稳态等。这些胞质事件不仅维持多能干细胞的代谢稳态，也可通过信号传递影响细胞核，从而调节多能性相关基因的表达。

在多能性诱导领域，目前只有 MBD3 与 C/EBPα 在特定条件下能够实现近乎 100% 的决定性（ deterministic ）诱导，但均依赖特殊重编程体系或外源表达经典 Yamanaka 因子（ Sox2 、 Klf4 、 Oct4 、 Myc ），其机制通常与表观遗传重塑密切相关。相比之下，本研究报道的 PLUM 则代表了一种完全不同的决定性诱导机制。刘兴国团队首次发现，来源于 Lin28b 5'UTR uORF 的微蛋白 PLUM 是限制 Naïve 多能性建立的关键障碍。 PLUM 的缺失无需任何外源转录因子，即可通过调控 RNA 结合蛋白 L1td1 的胞质相分离，从而瞬时激活重编程早期的线粒体氧化磷酸化并同步开启 Naïve 多能性基因，从而决定性地推动 Primed 多能性状态向均一、稳定且功能完备的 Naïve 状态转变。在体内水平， PLUM 缺失导致胚胎着床缺陷，进一步证实其在早期胚胎发育和多能性转变中的核心作用。

总体而言，本研究首次明确非经典 uORF 翻译微蛋白在多能干细胞命运决定中的关键作用，提出了一个由胞质机制驱动的 Naïve 多能性决定性诱导模型。该工作为理解多能干细胞状态转换的分子机制提供了全新视角，并为辅助生殖相关研究和多能性调控策略奠定了坚实的理论基础。

专家点评

陈玲玲研究员（中国科学院分子细胞卓越中心）

蛋白质翻译是连接遗传信息与细胞功能的核心步骤，传统蛋白质组学长期聚焦经典开放阅读框，忽视了基因组中大量未注释的潜在编码序列。核糖体测序、深度质谱技术及 GENCODE 等项目的推进，让科学界发现基因组中存在丰富的非经典开放阅读框编码产物。 2022 年，多国科学家联合发起 “ 未充分研究蛋白质计划 ” （ Understudied Proteins Initiative ），推动了对这类产物的系统解析。已有研究表明，这类数十至数百个氨基酸构成的微蛋白，在能量代谢、免疫应答等核心生命活动中至关重要，其异常与肿瘤等疾病密切相关，但在多能干细胞命运及胚胎发育中的功能尚不明确。

刘兴国团队通过核糖体测序、深度质谱及多组学研究，发现多能干细胞关键基因 Lin28b 的 5′ 非翻译区存在上游开放阅读框（ uORF ），可翻译生成 85 个氨基酸的微蛋白 PLUM 。研究证实， PLUM 通过调控 RNA 结合蛋白 L1td1 的聚集状态及 RNA 结合能力，影响原始态多能性基因和线粒体复合物基因表达，显著促进多能性状态转变；而 PLUM 缺失会导致线粒体异常激活，最终造成小鼠胚胎着床失败。

该研究首次揭示非经典 uORF 编码的微蛋白 PLUM 在多能干细胞命运决定和胚胎发育中的关键作用。这一发现拓展了对基因组 “ 暗物质 ” 的认知，为精准调控干细胞状态、干预早期胚胎发育异常提供了新靶点和理论基础。随着更多基因组 “ 暗物质 ” 被解析，微蛋白将在细胞命运调控及疾病研究中愈发重要。

专家点评

赵世民教授（复旦大学）

翻译是一个高度耗能的过程，受到细胞代谢状态的直接调控；同时，在应激或环境变化条件下，细胞能够选择性翻译与代谢相关的 mRNA ，实现对能量与物质供应的精细调控。翻译与代谢的这种协同作用构成了细胞应对环境变化、完成状态转换和命运决定的核心机制。多能干细胞通常维持较低的总体蛋白合成速率，但活跃的核糖体生成赋予其在命运转换时快速重塑蛋白组的能力，这一特性与其较高的核质比及显著的核仁结构高度契合。尽管总体翻译活性相对较低，多能干细胞中仍存在大量来源于非编码区域的选择性翻译事件，包括许多非经典开放阅读框（ non-canonical ORFs ）。这些非经典 ORF 通常被视作顺式作用元件，调控下游 ORF 翻译，但它们是否还具备独立功能，并参与多能性维持及状态转换，是亟待系统研究的重要科学问题。

刘兴国团队的研究鉴定了多能干细胞中由非经典 ORF 翻译产生的功能微蛋白 PLUM ，并阐明了其在维持多能性状态和早期胚胎发育中的关键作用。 PLUM 通过调控 RNA 结合蛋白 L1td1 的点状聚集及胞质相分离行为，进一步影响 Naïve 多能性基因以及核编码线粒体复合物基因的表达模式，显示出翻译产物对代谢状态的直接调控能力。这一发现表明，非经典 ORF 不仅可作为顺式调控元件控制下游 ORF 的翻译，还能生成具有独立功能的蛋白，从而参与多能干细胞命运决定和代谢重塑的精细调控网络。

该研究首次明确了非经典 ORF 翻译产物在多能干细胞命运调控中的核心作用，并系统揭示了翻译与代谢之间的动态互作如何通过胞质机制决定 Naïve 多能性。这一发现不仅拓展了我们对非经典编码区翻译事件的理解，也为未来通过调控翻译或代谢优化干细胞状态、提升胚胎发育质量提供了新的理论依据和潜在策略。

专家点评

温文玉教授（复旦大学）

生物大分子相分离是细胞内区室化与精细时空调控的重要机制。细胞通过形成各类无膜细胞器，如 P 颗粒、应激颗粒等，来富集特定的蛋白质和 RNA ，从而高效地调控生化反应速率或隔绝特定分子。然而，凝聚体的组装如何被精确调控，及其物理状态的改变如何反馈调节细胞代谢与命运决定，仍是前沿科学难题。刘兴国团队的这项最新研究，将微蛋白、相分离调控与线粒体代谢串联起来，为我们理解多能干细胞的命运决定提供了全新的生物物理视角。

首先，该研究发现微蛋白 PLUM 是调控 RNA 结合蛋白 L1td1 凝聚体形成的“微型开关”。 L1td1 是多能性维持的关键因子，研究团队观察到其在胞质中能发生液 - 液相分离（ LLPS ）形成点状凝聚体。 PLUM 的缺失直接破坏 L1td1 的的相分离能力，导致其弥散分布。这一发现揭示了微蛋白可能作为关键组分，通过调节蛋白 - 蛋白相互作用调控大分子凝聚体的组装与解聚，从而改变其结合 RNA 的亲和力与特异性。

其次，该工作还探索了 PLUM 对 P 颗粒组装及功能的调控，并首次发现多能干细胞中 P 颗粒富集了大量编码线粒体复合物的基因 mRNA 。 P 颗粒作为 mRNA 降解的关键场所， PLUM 的缺失导致 P 颗粒解体，从而解除了对线粒体 mRNA 的降解作用，从而激活线粒体代谢。这一发现展示了细胞如何通过相分离机制来精准调控代谢重塑与细胞命运。

综上所述，该成果不仅发现了一个全新的功能性微蛋白，更揭示了细胞可以通过调控生物大分子的物理状态来快速响应代谢需求并驱动命运转变，为解析发育过程中的复杂调控机制提供了新的视角。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-66297-4

制版人：十一

参考文献

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学术合作组织

（*排名不分先后）