线粒体转录终止因子家族的研究现状及进展

伍立夫(综述)，林春龙(审校)

(南华大学岳阳市二人民医院呼吸内科，湖南 岳阳 414000)

线粒体转录终止因子家族的研究现状及进展

伍立夫(综述)，林春龙※(审校)

(南华大学岳阳市二人民医院呼吸内科，湖南 岳阳 414000)

摘要：线粒体转录终止因子(Mterf)是线粒体DNA转录、翻译过程中的一种重要调控因子，主要在转录终止方面发挥相关作用，同时也可参与线粒体起始的调控。随着线粒体基因转录调控机制以及人类线粒体疾病研究的不断深入，Mterf的功能及特点等方面的研究逐渐成为一个新兴的热点，获得了一些新的发现。Mterf家族是一种多功能的蛋白家族，根据其结构特征的不同可分为4类，分别命名为Mterf1～4。

关键词：线粒体转录终止因子；线粒体DNA；转录

生物体的遗传信息大多储存在细胞核中，但线粒体自身还存在一套单独的遗传信息系统，即线粒体DNA(mitochondrial DNA,mtDNA)。mtDNA也可转录生成RNA，在这一过程中线粒体转录终止因子(mitochondrial transcription termination factor，Mterf)负责识别正确的转录终止位点[1]。随后，转录而成的RNA会将遗传信息带到核糖体。核糖体根据RNA所携带的指令合成特异性蛋白。Mterf是一类由核基因编码后促进mtDNA转录终止的特异性DNA结合蛋白[2]，该蛋白同转录终止区域的16s rRNA下游的转录RNA亮氨酸拉链结构基因分界处的一段28 bp的序列特异结合并形成环状结构，通过降低RNA聚合酶同模板的亲和力，进而引起H链的转录提前终止。这一作用使H链上游基因的转录水平比下游基因的转录水平高出20～50倍[3]。Daga等[4]将其命名为Mterf,随后又通过一系列生物信息学的方法发现与其相关的同源性蛋白，故分别将其命名为Mterf1～4。目前Mterf仅在后生动物(除原生动物外所有其他动物的总称)及植物中被发现，而在真菌中尚未发现其存在，推测其原因可能是早期真菌在进化过程中丢失了Mterf基因。该蛋白家族的突出特征之一是具有数目可变的线粒体转录终止因子基序，这一特征对于在体内发挥转录终止等功能具有不可或缺的作用[5]。研究发现，人类mTERF以两种相对的形式存在于线粒体中，即参与DNA结合及转录终止过程的有活性的单体形式和不具有DNA结合能力的无活性的同源三聚体形式[6]。现就Mterf1～4的研究现状及最新研究进展进行综述。

1Mterf1

Mterf1是人类Mterf家族的第1个成员，成熟的Mterf1于20世纪80年代末由Kruse等[7]在人源线粒体裂解液中首次被提纯发现，它是由324个氨基酸残基构成的蛋白质化合物，具有3个亮氨酸拉链结构和2个独立的间隔基本区域，以单体的形式弯曲DNA进行特异性的结合，但最近有研究人员利用晶体结构首次发现Mterf1具有3个由环状结构隔开的α螺旋结构，这是与亮氨酸拉链结构模型相冲突的[8]。

研究发现[9-10]，转录RNA亮氨酸拉链结构基因A3243G位点的A突变为G，会导致遗传性线粒体脑肌病伴乳酸血症和卒中样发作综合征、老年性糖尿病、进行性眼外肌麻痹等疾病的发生。同时Mterf1中间的结合位点A3243G的突变，使Mterf1与DNA的亲和力降低，由此降低其转录终止的作用，对于其具体机制目前尚不明确。但降低Mterf1与DNA亲和力的同时并不会降低重链启动子1/重链启动子2的比值，由此可推测Mterf1并不参与重链转录终止的调控。体外培养的细胞研究实验证实Mterf1的作用是具有双向性的，重组人Mterf1可完全封闭轻链的转录，对重链的影响却不明显，且Mterf1轻链结合位点的下游并没有其他相关基因,因此说明Mterf1主要负责的是轻链的转录终止[11]。人类Mterf1在非磷酸化形式下即可发挥其转录终止的作用，而在大鼠中的Mterf1则必须在磷酸化形式下才能够发挥其转录终止作用，但是其与mtDNA的结合在非磷酸化形式下即可实现[2]。

Mterf1不仅具有转录终止的作用，而且Martin等[3]研究发现，Mterf1同时与终止位点和重链启动子1结合，可产生线粒体DNA环,后者能促使转录的不断重复发生。敲除小鼠Mterf1基因实验显示，敲除小鼠Mterf1基因对小鼠细胞线粒体rRNA水平以及线粒体的翻译均不会产生影响。此外，Mterf1对mtDNA的复制过程也具有重要的作用，可以调节复制的终止[12]。

迄今为止，人们对于上述Mterf1相关作用的研究成果主要是基于体外培养的细胞实验，在转录过程中Mterf1具有关键性的作用，是哺乳动物线粒体蛋白合成的重要调控因子。

2Mterf2

Mterf2又称为人类线粒体转录终止样因子蛋白,目前仅在脊椎动物中被发现，是最早发现定位于人细胞线粒体的多肽化合物[13]。

Mterf2基因是在比较血清培养细胞及血清饥饿细胞的基因表达差异的过程中被发现的，该基因与人的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链结构。Mterf2基因定位于第12号染色体,具有3个外显子，cDNA序列全长1472 bp,可编码由265个氨基酸残基构成的蛋白质[14]。Mterf2基因主要在骨骼肌、心脏等人体代谢较旺盛的组织细胞中高表达，该基因属于细胞增殖抑制基因。Mterf2对于细胞的生长以及增殖具有负调控作用。Mterf2将细胞的增殖阻断于G1期及S期之间[15]。Mterf2不仅调控mtDNA的转录终止，而且Mterf2是线粒体拟核的重要组成部分，同Mterf1、Mterf3一样可结合在mtDNA的启动子区域，表明Mterf2也具有调控mtDNA的转录起始作用[16]。

研究发现，利用基因打靶技术敲除Mterf2的小鼠除心脏以外的其他组织细胞的线粒体数量均有增加[17]。同时在敲除Mterf2的小鼠组织中可见包括Mterf1、Mterf3、Mterf4在内的与mtDNA转录有关的mRNA水平增加，通过免疫共沉淀分析，当mtDNA存在时，Mterf1、Mterf2、Mterf3蛋白可间接相互作用，敲除Mterf2小鼠模型说明Mterf2在mtDNA转录过程中并不是必需的[18]。

另有相关研究证实[15]，将Mterf1与Mterf2基因分别转染至HeLa细胞中，在血清饥饿培养的细胞中Mterf1表达水平较低，而在血清饥饿细胞培养后添加血清培养的细胞中，Mterf1的表达水平显著增加。Mterf2的表达结果则与Mterf1明显相反，可见两者具有明显的协调关系。目前Mterf2对于细胞生长的抑制作用机制还未见相关研究报道。

3Mterf3

Mterf1及Mterf2主要存在于脊椎动物中。而在脊椎动物和无脊椎动物，如小鼠、黑腹果蝇中还存在着Mterf1、Mterf2的同源蛋白Mterf3、Mterf4，这两类转录终止因子蛋白是多细胞Mterf基因的先祖[5]。Mterf3是由323个氨基酸残基构成的蛋白质化合物，具有5个保守的线粒体转录终止因子基序,其中的3个表现为Mterf家族特有的亮氨酸拉链结构[19]。

Mterf3是Mterf家族最保守的成员[20]，在小鼠实验中，分别敲除Mterf2和Mterf3的小鼠，其氧化磷酸化的能力均表现为不同程度的降低趋势，但是敲除Mterf2的小鼠线粒体mRNA 拷贝数降低[17]，而敲除Mterf3的小鼠mRNA拷贝数则上升[21]，证明核编码的Mterf3是一种转录负性调控因子。

Mterf3在胚胎的发育过程中不可或缺，另有实验报道[2]，纯合子小鼠胚胎在敲除Mterf3基因后可导致发育的延迟并在妊娠过程中死亡。Mterf3在心脏、骨骼肌等特异性组织中的失活将会导致异常的mtDNA转录，严重的呼吸链缺陷以及氧化磷酸化活性降低等现象产生，目前推测其可能的原因是mtDNA转录量的不平衡性造成的[22]。Mterf3通过结合mtDNA 启动子区而抑制转录过程，缺失Mterf3的细胞mtDNA两条链的转录起始活性均有增加，启动子附近的基因转录产生积聚效应[21]。此外，Mterf3可特异性结合到16S核糖体RNA，调控核糖体的生物合成，缺失Mterf3的小鼠组装核糖体大亚基的水平呈明显降低趋势[22]。

Mterf3这一因子主要抑制mtDNA的表达，通过减少呼吸酶的产生而降低细胞能量的合成，关于Mterf3的研究可为糖尿病、心脏病、帕金森病等疾病的治疗开辟新思路。

4Mterf4

通过系统发生方法鉴定发现了Mterf家族的最后一个成员——Mterf4(又称Mterfd2)，Mterf4定位显示该蛋白定位于线粒体,为线粒体结合蛋白，是一种高度保守的哺乳动物蛋白化合物，具有Mterf家族特征性的结构——亮氨酸拉链结构。Mterf4基因相关结构特征可在美国国立生物技术信息中心基因库中找到，Mterf4基因位于1号染色体，基因组全长6.7 kb，含有4个外显子，编码由346个氨基酸残基构成的蛋白质化合物。该基因与母系遗传的线粒体相关。Mterf4对于细胞生长具有正性调控作用，当其表达抑制时可导致细胞的失活甚至死亡。

相关研究表明[23]，通过转基因技术使HeLa细胞过表达Mterf4基因，其结果是线粒体基因组从复制水平到转录水平，线粒体的功能、活性以及细胞生长均未表现出明显的影响。相反，基因表达下调后，从线粒体基因组的复制到转录水平，线粒体的功能、活性以及细胞生长则会产生明显的负性效应。这一现象说明Mterf4基因在正常的表达水平下已足以维持线粒体的生化功能。Yu等[24]报道,敲除Mterf4的HeLa细胞可导致亚-G1期细胞的积聚以及细胞的死亡，表明Mterf4是通过调节线粒体的转录及翻译而促进细胞的增殖。体外RNA免疫沉淀分析发现，Mterf4易与7sRNA、12sRNA、16sRNA产生交联，Mterf4可按照一定的比例与RNA甲基转移酶NSUN4形成复合物[25-26]，并与核糖体大亚基相结合后产生化学效应，缺少Mterf4可导致核糖体组装障碍以及蛋白产量的减少[27]，说明Mterf4是哺乳动物线粒体蛋白翻译的重要调控因子。

5无脊椎动物Mterf

在无脊椎动物中也存在Mterf，即海胆中线粒体DNA结合蛋白(mitochondrial DNA binding protein,mtDBP)和果蝇Mterf(drosophila mitochondrial transcription termination factor,DmTTF)。两者并不隶属于Mterf家族的任何一个亚族，但它们与Mterf1～4高度同源，具有相似的结构特性及功能，因此mtDBP和DmTTF仍然属于Mterf家族的成员。它们同mtDNA 的结合位点不尽相同，但与mtDNA结合后都可通过阻止线粒体RNA聚合酶的迁移而导致转录的终止。

mtDBP在mtDNA中具有两段识别序列，一段位于非编码区，另一段则位于NADH脱氢酶亚基5与NADH脱氢酶亚基6 基因相交界区域。最新的研究发现，mtDBP是一种具有双功能的极性终止因子，mtDBP以二聚体的形式作为功能单位，通过两种可能的模式(即序列依赖性及蛋白依赖性机制机制)[2]对mtDNA的转录终止发挥作用，此外mtDBP又是一种解旋酶，通过其负向解旋酶活性对mtDNA的复制发挥负性调控作用[28-29]。

DmTTF在mtDNA中同样具有两段识别序列，一段位于NADH脱氢酶亚基3与NADH脱氢酶亚基5基因交界处，另一段则位于细胞色素B与NADH脱氢酶亚基1基因相交界区域[30-31]，通过细胞培养的方法研究DmTTF表明，DmTTF具有调控果蝇mtDNA转录生成多顺反子mRNA的作用[32]，但是目前DmTTF对于mtDNA复制的影响尚不明确，仍需要进一步的探究[33]。

6植物Mterf

在植物中也存在大量的Mterf蛋白，如在衣藻中发现的Moc1、拟南芥中发现的Soldat10等，它们也具有Mterf家族的一般特征[34-35]，但其某些具体的机制目前还知之甚少，需要进一步的研究。

7小结

近年来，人们对于Mterf家族的研究不断深入，但主要集中于mtDNA结合位点以及线粒体转录调控的作用方面，对于细胞生长的影响及其作用机制还需要更进一步的探究。随着分子生物学以及细胞遗传学的发展，关于Mterf蛋白家族的研究可作为一种新的切入点，将其与临床研究相结合，深入探讨其功能与疾病的关系，为线粒体相关疾病的诊断及治疗开辟一条新的思路，这对于人类线粒体医学领域具有重要意义。

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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编辑：伊姗

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.21.011

中图分类号：R34

文献标识码：A

文章编号：1006-2084(2015)21-3870-04