在大多數(shù)生命體系中， mRNA 翻譯就像閱讀一本說明書：真正的內(nèi)容開始之前，總有一段 “ 前言 ”——5′UTR 。這段序列能夠幫助核糖體準(zhǔn)確找到起始密碼子，從而保證蛋白質(zhì)的正確合成。然而，人類線粒體mRNA幾乎沒有5′UTR，起始密碼子往往緊貼5′端，這類mRNA被稱為leaderless mRNA。換句話說，這是一份 “ 沒有前言的說明書 ” 。那么問題來了：線粒體核糖體究竟如何識(shí)別這些mRNA，并啟動(dòng)翻譯？盡管對這一問題的研究已經(jīng)持續(xù)了三十多年，其中的答案在近年逐漸演變成了一場學(xué)術(shù)爭議。

早期的生化研究提出了一種相對經(jīng)典的模型： leaderless mRNA 首先與 核糖體 28S 小亞基結(jié)合，隨后再招募 39S 大亞基，最終形成完整的 55S 起始復(fù)合物。這一過程被稱為分步裝配模型（ Sequential loading model ）。由于這一機(jī)制在邏輯上與細(xì)菌翻譯系統(tǒng)相似，該模型在很長時(shí)間內(nèi)被認(rèn)為是線粒體翻譯起始的方式。然而，近年來，來自 瑞典 Joanna Rorbach 與其合作實(shí)驗(yàn)室的結(jié)構(gòu)與生化研究提出了完全不同的觀點(diǎn)。他們發(fā)現(xiàn)， 28S 小亞基不能結(jié)合 leaderless mRNA ，而只有完整的 55S 核糖體才可以結(jié)合 leaderless mRNA 。因此，他們提出了55S直接加載模型（ Direct monosome loading model ）。

于是，一個(gè)關(guān)鍵問題擺在研究者面前：線粒體翻譯起始究竟是通過分步裝配完成，還是只能通過55S直接加載？由于過去的研究主要依賴穩(wěn)態(tài)生化或結(jié)構(gòu)觀察，缺乏動(dòng)態(tài)層面的直接證據(jù)，這一問題始終難以定論。

2026 年 4 月 4 日，美國德克薩斯大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心 王錦繁 實(shí)驗(yàn)室在 Nature Communications 在線發(fā)表題為 Mechanisms of human mitochondrial leaderless mRNA translation initiation 的研究論文（ 申雙杰 博士為論文第一作者）。 該研究通過單分子熒光與冷凍電鏡（ cryo-EM ）結(jié)構(gòu)生物學(xué)相結(jié)合，首次直接解析了人類線粒體leaderless mRNA翻譯起始的動(dòng)力學(xué)過程，不僅統(tǒng)一了長期對立的兩種模型，還提出了一個(gè)全新的“雙路徑”機(jī)制框架。

這項(xiàng)研究的關(guān)鍵突破來自單分子熒光技術(shù)。傳統(tǒng)生化實(shí)驗(yàn)往往只能觀察大量分子的平均行為，而單分子技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)追蹤單個(gè)核糖體的動(dòng)態(tài)變化。研究人員通過熒光標(biāo)記核糖體亞基、 翻譯 起始因子 、 tRNA 以及 mRNA ， 在體外重構(gòu)了一個(gè)人類線粒體翻譯起始系統(tǒng)，并直接觀察leaderless mRNA與線粒體核糖體結(jié)合的全過程。與此同時(shí)，冷凍電鏡結(jié)構(gòu)分析提供了關(guān)鍵的空間信息，使研究人員能夠?qū)?dòng)態(tài)過程與具體結(jié)構(gòu)狀態(tài)對應(yīng)。這種 “ 動(dòng)態(tài)與結(jié)構(gòu)結(jié)合 ” 的研究策略，使他們首次能夠真正解析線粒體翻譯起始是如何逐步發(fā)生的。

文章中的生化與單分子實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在一條重要路徑中，28S小亞基首先在起始因子mtIF2的幫助下加載fMet-tRNAMet，隨后與leaderless mRNA相結(jié)合，形成一個(gè)穩(wěn)定的翻譯起始前體復(fù)合物（28S PIC），最后39S大亞基被招募并組裝成完整的55S核糖體翻譯起始復(fù)合物（55S IC）。這一結(jié)果直接挑戰(zhàn)了此前認(rèn)為線粒體翻譯必須嚴(yán)格依賴55S直接加載的觀點(diǎn)。為了進(jìn)一步理解該反應(yīng)路徑，研究人員解析了 28S PIC 的高分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，不僅為這一反應(yīng)機(jī)制提供了結(jié)構(gòu)證據(jù)，還發(fā)現(xiàn) leaderless mRNA 上 5′ 端的起始密碼子與 fMet-tRNA Met 反密碼子的相互作用是 28S 小亞基與 leaderless mRNA 穩(wěn)定結(jié)合的關(guān)鍵基礎(chǔ)。

與此同時(shí)，研究人員也觀察到了此前 Rorbach 實(shí)驗(yàn)室報(bào)道的 55S 直接加載路徑，即完整的55S核糖體可以直接加載到leaderless mRNA上，而無需先解離為亞基。換句話說，這項(xiàng)研究表明過去的爭議并非“誰對誰錯(cuò)”，而是兩種反應(yīng)路徑在體系中同時(shí)存在。

此外，這項(xiàng)研究最具突破性的貢獻(xiàn)之一，在于首次直接測定了線粒體翻譯起始的真實(shí)動(dòng)力學(xué)。通過實(shí)時(shí)單分子追蹤，研究人員解析了兩條路徑中各個(gè)步驟的先后順序及其反應(yīng)速率，從而建立了完整的動(dòng)力學(xué)模型。研究還發(fā)現(xiàn)， 55S 直接加載路徑在一定條件下可以錯(cuò)誤地利用缺少甲?；揎椀?Met-tRNA Met 啟動(dòng)翻譯，這一現(xiàn)象為某些 Leigh 綜合征患者中仍然能夠維持低水平線粒體翻譯活性的機(jī)制提供了潛在解釋。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明，這種 55S 直接加載路徑會(huì)受到起始因子 mtIF3 的顯著抑制，因此 mtIF3 可能在體系中充當(dāng)一個(gè)重要的 “ 路徑選擇調(diào)控器 ” ，在不同條件下調(diào)節(jié)兩種機(jī)制之間的平衡。

這項(xiàng)研究的重要性不僅體現(xiàn)在基礎(chǔ)機(jī)制層面，也具有重要的生物學(xué)意義。首先，線粒體翻譯異常與多種遺傳疾病密切相關(guān)，例如 Leigh 綜合征等多種線粒體疾病。深入理解 leaderless mRNA 翻譯的動(dòng)力學(xué)機(jī)制，有助于解釋某些突變?nèi)绾斡绊懢€粒體蛋白的合成效率。其次，從進(jìn)化角度來看， leaderless mRNA 被認(rèn)為是一種較為原始的翻譯形式，在許多細(xì)菌和古菌中同樣廣泛存在。因此，人類線粒體翻譯系統(tǒng)可能保留了部分古老機(jī)制的特征，而雙路徑模式或許正反映了這一演化歷史的遺跡。最后，從方法學(xué)角度來看，該研究展示了單分子技術(shù)在解析復(fù)雜分子機(jī)器方面的巨大潛力。相比傳統(tǒng)穩(wěn)態(tài)方法，動(dòng)力學(xué)信息能夠提供更加真實(shí)和精細(xì)的機(jī)制細(xì)節(jié)，使我們得以真正理解線粒體如何在沒有“前言”的情況下啟動(dòng)蛋白翻譯。

招聘啟事 ：美國德克薩斯大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心 王錦繁 教授主要從事蛋白質(zhì)翻譯機(jī)制與調(diào)控研究，其研究結(jié)果以第一作者或通訊作者發(fā)表于 Cell , Nature , Nature Communications 等期刊。現(xiàn)因研究發(fā)展需要，擬招聘博士后1-2名，歡迎具有生物化學(xué)，結(jié)構(gòu)生物學(xué)，生物物理學(xué)，CRISPR篩選等研究背景的優(yōu)秀青年加入。課題組將提供良好的科研平臺(tái)，并全力為博士后長期職業(yè)發(fā)展提供支持。

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

制版人： 十一

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