線粒體轉錄終止因子家族的研究現狀及進展

伍立夫(綜述)，林春龍(審校)

(南華大學岳陽市二人民醫院呼吸內科，湖南 岳陽 414000)

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線粒體轉錄終止因子家族的研究現狀及進展

伍立夫(綜述)，林春龍※(審校)

(南華大學岳陽市二人民醫院呼吸內科，湖南 岳陽 414000)

摘要：線粒體轉錄終止因子(Mterf)是線粒體DNA轉錄、翻譯過程中的一種重要調控因子，主要在轉錄終止方面發揮相關作用，同時也可參與線粒體起始的調控。隨著線粒體基因轉錄調控機制以及人類線粒體疾病研究的不斷深入，Mterf的功能及特點等方面的研究逐漸成為一個新興的熱點，獲得了一些新的發現。Mterf家族是一種多功能的蛋白家族，根據其結構特征的不同可分為4類，分別命名為Mterf1～4。

關鍵詞：線粒體轉錄終止因子；線粒體DNA；轉錄

生物體的遺傳信息大多儲存在細胞核中，但線粒體自身還存在一套單獨的遺傳信息系統，即線粒體DNA(mitochondrial DNA,mtDNA)。mtDNA也可轉錄生成RNA，在這一過程中線粒體轉錄終止因子(mitochondrial transcription termination factor，Mterf)負責識別正確的轉錄終止位點[1]。隨后，轉錄而成的RNA會將遺傳信息帶到核糖體。核糖體根據RNA所攜帶的指令合成特異性蛋白。Mterf是一類由核基因編碼后促進mtDNA轉錄終止的特異性DNA結合蛋白[2]，該蛋白同轉錄終止區域的16s rRNA下游的轉錄RNA亮氨酸拉鏈結構基因分界處的一段28 bp的序列特異結合并形成環狀結構，通過降低RNA聚合酶同模板的親和力，進而引起H鏈的轉錄提前終止。這一作用使H鏈上游基因的轉錄水平比下游基因的轉錄水平高出20～50倍[3]。Daga等[4]將其命名為Mterf,隨后又通過一系列生物信息學的方法發現與其相關的同源性蛋白，故分別將其命名為Mterf1～4。目前Mterf僅在后生動物(除原生動物外所有其他動物的總稱)及植物中被發現，而在真菌中尚未發現其存在，推測其原因可能是早期真菌在進化過程中丟失了Mterf基因。該蛋白家族的突出特征之一是具有數目可變的線粒體轉錄終止因子基序，這一特征對于在體內發揮轉錄終止等功能具有不可或缺的作用[5]。研究發現，人類mTERF以兩種相對的形式存在于線粒體中，即參與DNA結合及轉錄終止過程的有活性的單體形式和不具有DNA結合能力的無活性的同源三聚體形式[6]。現就Mterf1～4的研究現狀及最新研究進展進行綜述。

1Mterf1

Mterf1是人類Mterf家族的第1個成員，成熟的Mterf1于20世紀80年代末由Kruse等[7]在人源線粒體裂解液中首次被提純發現，它是由324個氨基酸殘基構成的蛋白質化合物，具有3個亮氨酸拉鏈結構和2個獨立的間隔基本區域，以單體的形式彎曲DNA進行特異性的結合，但最近有研究人員利用晶體結構首次發現Mterf1具有3個由環狀結構隔開的α螺旋結構，這是與亮氨酸拉鏈結構模型相沖突的[8]。

研究發現[9-10]，轉錄RNA亮氨酸拉鏈結構基因A3243G位點的A突變為G，會導致遺傳性線粒體腦肌病伴乳酸血癥和卒中樣發作綜合征、老年性糖尿病、進行性眼外肌麻痹等疾病的發生。同時Mterf1中間的結合位點A3243G的突變，使Mterf1與DNA的親和力降低，由此降低其轉錄終止的作用，對于其具體機制目前尚不明確。但降低Mterf1與DNA親和力的同時并不會降低重鏈啟動子1/重鏈啟動子2的比值，由此可推測Mterf1并不參與重鏈轉錄終止的調控。體外培養的細胞研究實驗證實Mterf1的作用是具有雙向性的，重組人Mterf1可完全封閉輕鏈的轉錄，對重鏈的影響卻不明顯，且Mterf1輕鏈結合位點的下游并沒有其他相關基因,因此說明Mterf1主要負責的是輕鏈的轉錄終止[11]。人類Mterf1在非磷酸化形式下即可發揮其轉錄終止的作用，而在大鼠中的Mterf1則必須在磷酸化形式下才能夠發揮其轉錄終止作用，但是其與mtDNA的結合在非磷酸化形式下即可實現[2]。

Mterf1不僅具有轉錄終止的作用，而且Martin等[3]研究發現，Mterf1同時與終止位點和重鏈啟動子1結合，可產生線粒體DNA環,后者能促使轉錄的不斷重復發生。敲除小鼠Mterf1基因實驗顯示，敲除小鼠Mterf1基因對小鼠細胞線粒體rRNA水平以及線粒體的翻譯均不會產生影響。此外，Mterf1對mtDNA的復制過程也具有重要的作用，可以調節復制的終止[12]。

迄今為止，人們對于上述Mterf1相關作用的研究成果主要是基于體外培養的細胞實驗，在轉錄過程中Mterf1具有關鍵性的作用，是哺乳動物線粒體蛋白合成的重要調控因子。

2Mterf2

Mterf2又稱為人類線粒體轉錄終止樣因子蛋白,目前僅在脊椎動物中被發現，是最早發現定位于人細胞線粒體的多肽化合物[13]。

Mterf2基因是在比較血清培養細胞及血清饑餓細胞的基因表達差異的過程中被發現的，該基因與人的Mterf蛋白序列上有52%左右的同源性，并具有Mterf家族共有的亮氨酸拉鏈結構。Mterf2基因定位于第12號染色體,具有3個外顯子，cDNA序列全長1472 bp,可編碼由265個氨基酸殘基構成的蛋白質[14]。Mterf2基因主要在骨骼肌、心臟等人體代謝較旺盛的組織細胞中高表達，該基因屬于細胞增殖抑制基因。Mterf2對于細胞的生長以及增殖具有負調控作用。Mterf2將細胞的增殖阻斷于G1期及S期之間[15]。Mterf2不僅調控mtDNA的轉錄終止，而且Mterf2是線粒體擬核的重要組成部分，同Mterf1、Mterf3一樣可結合在mtDNA的啟動子區域，表明Mterf2也具有調控mtDNA的轉錄起始作用[16]。

研究發現，利用基因打靶技術敲除Mterf2的小鼠除心臟以外的其他組織細胞的線粒體數量均有增加[17]。同時在敲除Mterf2的小鼠組織中可見包括Mterf1、Mterf3、Mterf4在內的與mtDNA轉錄有關的mRNA水平增加，通過免疫共沉淀分析，當mtDNA存在時，Mterf1、Mterf2、Mterf3蛋白可間接相互作用，敲除Mterf2小鼠模型說明Mterf2在mtDNA轉錄過程中并不是必需的[18]。

另有相關研究證實[15]，將Mterf1與Mterf2基因分別轉染至HeLa細胞中，在血清饑餓培養的細胞中Mterf1表達水平較低，而在血清饑餓細胞培養后添加血清培養的細胞中，Mterf1的表達水平顯著增加。Mterf2的表達結果則與Mterf1明顯相反，可見兩者具有明顯的協調關系。目前Mterf2對于細胞生長的抑制作用機制還未見相關研究報道。

3Mterf3

Mterf1及Mterf2主要存在于脊椎動物中。而在脊椎動物和無脊椎動物，如小鼠、黑腹果蠅中還存在著Mterf1、Mterf2的同源蛋白Mterf3、Mterf4，這兩類轉錄終止因子蛋白是多細胞Mterf基因的先祖[5]。Mterf3是由323個氨基酸殘基構成的蛋白質化合物，具有5個保守的線粒體轉錄終止因子基序,其中的3個表現為Mterf家族特有的亮氨酸拉鏈結構[19]。

Mterf3是Mterf家族最保守的成員[20]，在小鼠實驗中，分別敲除Mterf2和Mterf3的小鼠，其氧化磷酸化的能力均表現為不同程度的降低趨勢，但是敲除Mterf2的小鼠線粒體mRNA 拷貝數降低[17]，而敲除Mterf3的小鼠mRNA拷貝數則上升[21]，證明核編碼的Mterf3是一種轉錄負性調控因子。

Mterf3在胚胎的發育過程中不可或缺，另有實驗報道[2]，純合子小鼠胚胎在敲除Mterf3基因后可導致發育的延遲并在妊娠過程中死亡。Mterf3在心臟、骨骼肌等特異性組織中的失活將會導致異常的mtDNA轉錄，嚴重的呼吸鏈缺陷以及氧化磷酸化活性降低等現象產生，目前推測其可能的原因是mtDNA轉錄量的不平衡性造成的[22]。Mterf3通過結合mtDNA 啟動子區而抑制轉錄過程，缺失Mterf3的細胞mtDNA兩條鏈的轉錄起始活性均有增加，啟動子附近的基因轉錄產生積聚效應[21]。此外，Mterf3可特異性結合到16S核糖體RNA，調控核糖體的生物合成，缺失Mterf3的小鼠組裝核糖體大亞基的水平呈明顯降低趨勢[22]。

Mterf3這一因子主要抑制mtDNA的表達，通過減少呼吸酶的產生而降低細胞能量的合成，關于Mterf3的研究可為糖尿病、心臟病、帕金森病等疾病的治療開辟新思路。

4Mterf4

通過系統發生方法鑒定發現了Mterf家族的最后一個成員——Mterf4(又稱Mterfd2)，Mterf4定位顯示該蛋白定位于線粒體,為線粒體結合蛋白，是一種高度保守的哺乳動物蛋白化合物，具有Mterf家族特征性的結構——亮氨酸拉鏈結構。Mterf4基因相關結構特征可在美國國立生物技術信息中心基因庫中找到，Mterf4基因位于1號染色體，基因組全長6.7 kb，含有4個外顯子，編碼由346個氨基酸殘基構成的蛋白質化合物。該基因與母系遺傳的線粒體相關。Mterf4對于細胞生長具有正性調控作用，當其表達抑制時可導致細胞的失活甚至死亡。

相關研究表明[23]，通過轉基因技術使HeLa細胞過表達Mterf4基因，其結果是線粒體基因組從復制水平到轉錄水平，線粒體的功能、活性以及細胞生長均未表現出明顯的影響。相反，基因表達下調后，從線粒體基因組的復制到轉錄水平，線粒體的功能、活性以及細胞生長則會產生明顯的負性效應。這一現象說明Mterf4基因在正常的表達水平下已足以維持線粒體的生化功能。Yu等[24]報道,敲除Mterf4的HeLa細胞可導致亞-G1期細胞的積聚以及細胞的死亡，表明Mterf4是通過調節線粒體的轉錄及翻譯而促進細胞的增殖。體外RNA免疫沉淀分析發現，Mterf4易與7sRNA、12sRNA、16sRNA產生交聯，Mterf4可按照一定的比例與RNA甲基轉移酶NSUN4形成復合物[25-26]，并與核糖體大亞基相結合后產生化學效應，缺少Mterf4可導致核糖體組裝障礙以及蛋白產量的減少[27]，說明Mterf4是哺乳動物線粒體蛋白翻譯的重要調控因子。

5無脊椎動物Mterf

在無脊椎動物中也存在Mterf，即海膽中線粒體DNA結合蛋白(mitochondrial DNA binding protein,mtDBP)和果蠅Mterf(drosophila mitochondrial transcription termination factor,DmTTF)。兩者并不隸屬于Mterf家族的任何一個亞族，但它們與Mterf1～4高度同源，具有相似的結構特性及功能，因此mtDBP和DmTTF仍然屬于Mterf家族的成員。它們同mtDNA 的結合位點不盡相同，但與mtDNA結合后都可通過阻止線粒體RNA聚合酶的遷移而導致轉錄的終止。

mtDBP在mtDNA中具有兩段識別序列，一段位于非編碼區，另一段則位于NADH脫氫酶亞基5與NADH脫氫酶亞基6 基因相交界區域。最新的研究發現，mtDBP是一種具有雙功能的極性終止因子，mtDBP以二聚體的形式作為功能單位，通過兩種可能的模式(即序列依賴性及蛋白依賴性機制機制)[2]對mtDNA的轉錄終止發揮作用，此外mtDBP又是一種解旋酶，通過其負向解旋酶活性對mtDNA的復制發揮負性調控作用[28-29]。

DmTTF在mtDNA中同樣具有兩段識別序列，一段位于NADH脫氫酶亞基3與NADH脫氫酶亞基5基因交界處，另一段則位于細胞色素B與NADH脫氫酶亞基1基因相交界區域[30-31]，通過細胞培養的方法研究DmTTF表明，DmTTF具有調控果蠅mtDNA轉錄生成多順反子mRNA的作用[32]，但是目前DmTTF對于mtDNA復制的影響尚不明確，仍需要進一步的探究[33]。

6植物Mterf

在植物中也存在大量的Mterf蛋白，如在衣藻中發現的Moc1、擬南芥中發現的Soldat10等，它們也具有Mterf家族的一般特征[34-35]，但其某些具體的機制目前還知之甚少，需要進一步的研究。

7小結

近年來，人們對于Mterf家族的研究不斷深入，但主要集中于mtDNA結合位點以及線粒體轉錄調控的作用方面，對于細胞生長的影響及其作用機制還需要更進一步的探究。隨著分子生物學以及細胞遺傳學的發展，關于Mterf蛋白家族的研究可作為一種新的切入點，將其與臨床研究相結合，深入探討其功能與疾病的關系，為線粒體相關疾病的診斷及治療開辟一條新的思路，這對于人類線粒體醫學領域具有重要意義。

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Current Situation and Progression in the Research of Mitochondrial Transcription Termination Factor FamilyWULi-fu，LINChun-long. (DepartmentofRespiratory,theSecondPeople′HospitalofYueyang,UniversieyofSouthChina,Yueyang414000,China)

Abstract:Mitochondrial transcription termination factor(Mterf) is a key regulator in the genetic transcription and replication of mitochondrial DNA.It plays a major role in transcription termination,and is also involved in the regulation of mitochondrial initiation.With the deepening of research of the mitochondrial gene transcriptional regulatory mechanisms and human mitochondrial disease,the functions and characteristics of Mterf has gradually become a new hot spot,and some findings have been achieved.Mterf family is a multifunctional protein family,which consists of four members based on the different structural characteristics,respectively named Mterf1-4.

Key words:Mitochondrial transcription termination factor; Mitochondrial DNA; Transcription

收稿日期：2015-01-04修回日期：2015-05-10編輯：伊姍

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.21.011

中圖分類號：R34

文獻標識碼：A

文章編號：1006-2084(2015)21-3870-04