Nat Commun | 王锦繁团队揭示人类线粒体leaderless mRNA翻译的动态机制|mrna|小亚基|王锦繁|线粒体|翻译|蛋白

在大多数生命体系中， mRNA 翻译就像阅读一本说明书：真正的内容开始之前，总有一段 “ 前言 ”——5′UTR 。这段序列能够帮助核糖体准确找到起始密码子，从而保证蛋白质的正确合成。然而，人类线粒体mRNA几乎没有5′UTR，起始密码子往往紧贴5′端，这类mRNA被称为leaderless mRNA。换句话说，这是一份 “ 没有前言的说明书 ” 。那么问题来了：线粒体核糖体究竟如何识别这些mRNA，并启动翻译？尽管对这一问题的研究已经持续了三十多年，其中的答案在近年逐渐演变成了一场学术争议。

早期的生化研究提出了一种相对经典的模型： leaderless mRNA 首先与核糖体 28S 小亚基结合，随后再招募 39S 大亚基，最终形成完整的 55S 起始复合物。这一过程被称为分步装配模型（ Sequential loading model ）。由于这一机制在逻辑上与细菌翻译系统相似，该模型在很长时间内被认为是线粒体翻译起始的方式。然而，近年来，来自瑞典 Joanna Rorbach 与其合作实验室的结构与生化研究提出了完全不同的观点。他们发现， 28S 小亚基不能结合 leaderless mRNA ，而只有完整的 55S 核糖体才可以结合 leaderless mRNA 。因此，他们提出了55S直接加载模型（ Direct monosome loading model ）。

于是，一个关键问题摆在研究者面前：线粒体翻译起始究竟是通过分步装配完成，还是只能通过55S直接加载？由于过去的研究主要依赖稳态生化或结构观察，缺乏动态层面的直接证据，这一问题始终难以定论。

2026 年 4 月 4 日，美国德克萨斯大学西南医学中心王锦繁实验室在 Nature Communications 在线发表题为 Mechanisms of human mitochondrial leaderless mRNA translation initiation 的研究论文（申双杰博士为论文第一作者）。该研究通过单分子荧光与冷冻电镜（ cryo-EM ）结构生物学相结合，首次直接解析了人类线粒体leaderless mRNA翻译起始的动力学过程，不仅统一了长期对立的两种模型，还提出了一个全新的“双路径”机制框架。

这项研究的关键突破来自单分子荧光技术。传统生化实验往往只能观察大量分子的平均行为，而单分子技术能够实时追踪单个核糖体的动态变化。研究人员通过荧光标记核糖体亚基、翻译起始因子、 tRNA 以及 mRNA ，在体外重构了一个人类线粒体翻译起始系统，并直接观察leaderless mRNA与线粒体核糖体结合的全过程。与此同时，冷冻电镜结构分析提供了关键的空间信息，使研究人员能够将动态过程与具体结构状态对应。这种 “ 动态与结构结合 ” 的研究策略，使他们首次能够真正解析线粒体翻译起始是如何逐步发生的。

文章中的生化与单分子实验结果显示，在一条重要路径中，28S小亚基首先在起始因子mtIF2的帮助下加载fMet-tRNAMet，随后与leaderless mRNA相结合，形成一个稳定的翻译起始前体复合物（28S PIC），最后39S大亚基被招募并组装成完整的55S核糖体翻译起始复合物（55S IC）。这一结果直接挑战了此前认为线粒体翻译必须严格依赖55S直接加载的观点。为了进一步理解该反应路径，研究人员解析了 28S PIC 的高分辨率冷冻电镜结构，不仅为这一反应机制提供了结构证据，还发现 leaderless mRNA 上 5′ 端的起始密码子与 fMet-tRNA Met 反密码子的相互作用是 28S 小亚基与 leaderless mRNA 稳定结合的关键基础。

与此同时，研究人员也观察到了此前 Rorbach 实验室报道的 55S 直接加载路径，即完整的55S核糖体可以直接加载到leaderless mRNA上，而无需先解离为亚基。换句话说，这项研究表明过去的争议并非“谁对谁错”，而是两种反应路径在体系中同时存在。

此外，这项研究最具突破性的贡献之一，在于首次直接测定了线粒体翻译起始的真实动力学。通过实时单分子追踪，研究人员解析了两条路径中各个步骤的先后顺序及其反应速率，从而建立了完整的动力学模型。研究还发现， 55S 直接加载路径在一定条件下可以错误地利用缺少甲酰化修饰的 Met-tRNA Met 启动翻译，这一现象为某些 Leigh 综合征患者中仍然能够维持低水平线粒体翻译活性的机制提供了潜在解释。进一步实验表明，这种 55S 直接加载路径会受到起始因子 mtIF3 的显著抑制，因此 mtIF3 可能在体系中充当一个重要的 “ 路径选择调控器 ” ，在不同条件下调节两种机制之间的平衡。

这项研究的重要性不仅体现在基础机制层面，也具有重要的生物学意义。首先，线粒体翻译异常与多种遗传疾病密切相关，例如 Leigh 综合征等多种线粒体疾病。深入理解 leaderless mRNA 翻译的动力学机制，有助于解释某些突变如何影响线粒体蛋白的合成效率。其次，从进化角度来看， leaderless mRNA 被认为是一种较为原始的翻译形式，在许多细菌和古菌中同样广泛存在。因此，人类线粒体翻译系统可能保留了部分古老机制的特征，而双路径模式或许正反映了这一演化历史的遗迹。最后，从方法学角度来看，该研究展示了单分子技术在解析复杂分子机器方面的巨大潜力。相比传统稳态方法，动力学信息能够提供更加真实和精细的机制细节，使我们得以真正理解线粒体如何在没有“前言”的情况下启动蛋白翻译。

招聘启事：美国德克萨斯大学西南医学中心王锦繁教授主要从事蛋白质翻译机制与调控研究，其研究结果以第一作者或通讯作者发表于 Cell , Nature , Nature Communications 等期刊。现因研究发展需要，拟招聘博士后1-2名，欢迎具有生物化学，结构生物学，生物物理学，CRISPR筛选等研究背景的优秀青年加入。课题组将提供良好的科研平台，并全力为博士后长期职业发展提供支持。

https://www.nature.com/articles/s41467-026-71535-4

制版人：十一

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（*排名不分先后）