小而不簡單，《細胞》子刊揭示微蛋白的大世界-今日必看

小而不簡單，《細胞》子刊揭示微蛋白的大世界

來源：子非魚釋出時間：2022-08-20 09:50

▎藥明康德內容團隊編纂

蛋白質是生命流動的主要承擔者，蛋白質功能也是目前大部分生物醫學研究的焦點。一般以為，人類基因組編碼了約兩萬種蛋白。但是近年來的研究不斷證明，人類蛋白質組中還存在著一大類不為人知的“暗物質”。而這些“暗物質”就是我們今天的主角——微蛋白（microprotein）。

微蛋白指的是長度小於100個氨基酸的內源多肽。為何100個氨基酸是一個重要分水嶺？它們又為何被長期忽視呢？要回答這些題目，我們需要從基因註釋的方法談起。

研究者註釋蛋白編碼基因主要有兩種手段。第一個是序列分析，包括同源比對和基因結構特徵分析等方法；第二個是蛋白質譜，將蛋白切割成多肽後進行直接檢測。但這些方法對於小蛋白的鑑定均不友好。好比，短序列在同源比對中自然地顯著性不高，小蛋白也往往很難形成特異的質譜訊號。因此，目前絕大部分基因組註釋演算法都人為地忽略了長度小於100個密碼子的開放閱讀框（具有編碼蛋白質潛能的一段鹼基序列）。

近年來，研究者手中多了一個表徵蛋白翻譯的利器——核糖體印跡測序技術（ribosome profiling or ribo-seq）。這項技術透過對被核糖體大小亞基包抄的mRNA片斷進行製備和測序，可以正確、敏捷地檢測翻譯事件。研究發現過去以為的mRNA非編碼區和部門長非編碼RNA（LncRNA）中，存在大量活躍翻譯的小開放閱讀框。據目前估計，人類基因組中活躍翻譯的小開放閱讀框的數目介於數千至數萬種之間。這代表著，人類基因組中還存在數目龐大且功能不明的蛋白編碼基因！

▲核糖體印跡測序技術（圖片來源：參考資料[2]）

目前，微蛋白的功能研究方興未艾。關於微蛋白的生物學功能，還有許多題目尚待解答。好比這些微蛋白主要介入哪些生物學過程？施展功能時是否具有某些特殊性？

2022年8月16日，來自杜克-新加坡國立大學聯合醫學院等多個高校的國際研究團隊在Cell Reports雜誌刊發研究論文，發現BRAWNIN和SMIM4等多種微蛋白能夠形成複合體，透過介導營養訊號來協同調控線粒體呼吸鏈複合體裝配，確保能量供給和能量需求的匹配。該研究的第一作者為杜克-新加坡國立大學聯合醫學院博士生梁超和現任職於浙江大學基礎醫學院的張汕研究員，通訊作者為杜克-新加坡國立大學聯合醫學院的Lena Ho博士。

該研究團隊在前期工作中發現線粒體是微蛋白的重要工作場所；並且鑑定了BRAWNIN、SMIM4和C16ORF91等二十個由核基因編碼的線粒體定位微蛋白，發現微蛋白BRAWNIN的缺失將導致呼吸鏈複合體III的裝配缺陷。

線上粒體呼吸中，代謝物被還原，所得電子透過四大呼吸鏈複合體（複合體I-IV）傳遞給氧氣，同時構建膜電勢來驅動ATP合成。呼吸鏈有多個進口（包括複合體I、複合體II和多種氧化還原酶），但所有的電子流均匯聚於複合體III並終極透過複合體IV傳遞給氧氣。因此，複合體III位於呼吸鏈的核心功能節點。

在本研究中，研究者揭示了BRAWNIN等微蛋白調控呼吸鏈複合體III裝配的詳細機理和生理意義。

使用非變性膠和免疫共沉澱，研究者首先鑑定了BRAWNIN所在複合體的結構組分。有意思的是，SMIM4和C16ORF91這兩個先前被獨立鑑定的蛋白被發現能夠與BRAWNIN不亂結合。除此以外，BRAWNIN還與複合體III核心亞基CYTB的翻譯啟用因子UQCC1和UQCC2存在物理互作。需要指出，複合體III由11個結構亞基組成，其中核心亞基CYTB由線粒體基因組編碼，其餘亞基由核基因編碼。

研究者將這些協調CYTB翻譯的蛋白複合體命名為COM（Co-ordinator of mitochondrial CYTB）並發現了COM的三種組成模式：COMA、COMB和COMC。其中，COMA（由UQCC1、UQCC2和 C16ORF91等3個亞基組成）負責啟用CYTB的線粒體翻譯，COMB（由COMA與BRAWNIN和SMIM14等兩個微蛋白構成）起到不亂新天生CYTB的功能，COMC（由COMA和微蛋白UQCC3構成）則主要介入CYTB的血紅素結合。

分析發現，這種多模組組成模式實現了胞漿和線粒體翻譯的協同。當核基因編碼的亞基被按捺時，COMA組分無法被輪迴利用，導致線粒體中CYTB的翻譯被按捺。更重要的是，胰島素、AMPK等代謝訊號都能明顯啟用BRAWNIN的表達，使得代謝訊號能夠靈活地調控複合體III的裝配。

▲微蛋白調控呼吸鏈複合體III的分子機制（圖片來源：參考資料[1]）

本研究的特色在於發現了多種微蛋白結合形成蛋白複合體這一有趣的生物學現象，正所謂 “物以類聚”；同時也揭示了微蛋白在調控細胞能量代謝中的重要功能。

張汕研究員表示：“微蛋白是一個巨大的功能寶庫，我們才剛剛觸遇到它的冰山一角。同時，我們現有研究微蛋白的工具箱還不夠大，對小於50個氨基酸的微蛋白的研究才剛剛起步，解決這個新興領域的關鍵問題無疑需要多學科、多團隊的通力合作。”

參考資料：

[1] C. Liang, S. Zhang et al. Mitochondrial microproteins link metabolic cues to respiratory chain biogenesis.Cell Reports(2022). DOI: https://doi.org/10.1016/j.celrep.2022.111204

[2] Ingolia, N. T., Hussmann, J. A. & Weissman, J. S. Ribosome profiling: Global views of translation. Cold Spring Harb. Perspect. Biol. 11, 1–20 (2019).

[3] Zhang, S. et al. Mitochondrial peptide BRAWNIN is essential for vertebrate respiratory complex III assembly. Nat. Commun. 11, (2020).

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