Nature?|?線粒體靶向序列在應激信號傳遞中的直接作用

撰文 | 阿童木

線粒體是能量代謝與細胞信號整合的核心細胞器， 其功能建立在一個高度組織化的蛋白質組之上 。已鑒定的線粒體蛋白超過一千種，但其中絕大多數并非在線粒體內合成，而是在細胞質核糖體上翻譯完成后，再被定向轉運進入線粒體。為實現這一跨膜運輸，這些前體蛋白通常攜帶一段由 15–55 個氨基酸組成的 N 端 線粒體靶向序列 （前序列），作為定位信號，引導其識別并進入線粒體【1】。

蛋白質導入主要依賴線粒體外膜與內膜上的轉位酶復合物TOM和TIM。前體蛋白首先經TOM復合物穿越外膜，再通過 T IM通道進入線粒體基質，隨后其前序列被剪切去除，完成成熟。 這一過程需要持續的能量輸入，而非簡單的被動擴散 。其中，基質側的 ATP 依賴性 Hsp70 分子馬達在 TIM 復合物的協同下提供牽引力，確保多肽鏈的完全轉運【2】。

線粒體蛋白轉運效率下降時，未完成轉運的前體蛋白會在細胞質或線粒體表面積累，既削弱線粒體蛋白供給，也引發蛋白毒性并擾亂整體穩態 。 相關研究表明，細胞可通過抑制翻譯、增強蛋白質量控制以及激活線粒體特異性應激通路（如UPR mt ）來緩沖這一壓力【3】。然而，線粒體蛋白轉運受損如何被感知，并進一步轉化為細胞核內的轉錄響應，長期缺乏清晰的分子機制解析。

近期研究發現， 轉運受阻的前體蛋白會滯留在TOM復合物中，形成堵塞的轉位中間體。細胞依賴 ATP酶Cdc48（p97）及外膜 AAA 蛋白酶Msp1（ATAD1）將這些多肽從轉位通道中提取并清除。在出芽酵母中，Msp1被高效募集至受阻TOM復合物，依賴應激誘導的適配蛋白Cis1【4】。CIS1是線粒體蛋白轉運壓力監控通路（mitoCPR）的核心靶基因，其轉錄受轉錄因子Pdr3 調控。然而，Pdr3 在該通路中的上游激活信號一直缺乏直接證據。

近日，不列顛哥倫比亞大學 Hilla Weidberg 實驗室等在

Nature

A direct role for a mitochondrial targeting sequence in signalling stress

作者通過全基因組過表達篩選發現，多種線粒體基因過表達可激活mitoCPR報告系統，但大多通過誘導轉運障礙間接起效：當其N端被標記、導入受阻時，激活效應隨之消失。唯獨Mge1在N端被標記后仍能強烈誘導CIS1及其他Pdr3靶基因，且這一效應嚴格依賴Pdr3。與對照線粒體蛋白不同，過表達的Mge1部分定位于細胞核，而其他可在轉運壓力下入核的線粒體前體即便過表達，也無法激活mitoCPR。這一系列觀察提示， 未轉運的Mge1本身即可在細胞核中驅動 Pdr3 依賴的轉錄應答。

隨后，作者將這一機制回到內源性轉運壓力條件下進行驗證。在 Psd1 過表達或 rho ? /rho? 模型中， Mge1 前體明顯積累并特異定位于細胞核，而成熟形式主要分布于線粒體。該核定位依賴 N 端靶向序列及 importin-β 家族成員 Kap123 。應激條件下， Mge1 前體可與 Pdr3 特異結合，而不與 Pdr1 互作；且僅前體而非成熟蛋白參與該過程。染色質免疫沉淀顯示， Mge1 前體通過 Pdr3 被募集至 CIS1 啟動子區域，并在 Pdr3 缺失時完全消失。同時， Pdr3 結合可延長 Mge1 前體半衰期，避免其被蛋白酶體降解。這些證據表明， 在導入缺陷下，Mge1前體進入細胞核并在染色質水平激活mitoCPR 。

由于Mge1為必需基因，作者利用生長素誘導降解系統選擇性耗竭Mge1前體，發現 CIS1的應激上調顯著受阻。將Mge1前體錨定于質膜，或融合核輸出信號阻止其核內積累，同樣抑制mitoCPR激活。Pdr3互作組質譜分析顯示，在轉運壓力下唯一顯著富集的互作蛋白為Mge1，而其他線粒體前體并未達到顯著性。壓力解除后，Mge1前體及CIS1表達在數小時內逐步恢復，表明該通路具有可逆性。由此可以確定， 未導入的Mge1前體是Pdr3激活所必需且具有特異性的調控因子。

進一步分析顯示，信號功能本身來自Mge1的N端線粒體靶向序列。缺失該序列的Mge1無法激活mitoCPR，即使強制定位于細胞核亦無效；相反，單獨表達該靶向序列并融合 mCherry已足以誘導CIS1上調并激活完整的Pdr3依賴轉錄程序，其表達譜與Psd1過表達高度相似。在基因組水平將Mge1原生靶向序列替換為Su9或Ilv2的嵌合菌株中，細胞存活不受影響，但mitoCPR激活能力完全喪失。Ilv2替換的前體雖能入核，卻不與Pdr3結合；Su9替換則幾乎不產生可檢測的前體。在多種轉運缺陷模型中，這一結果保持一致，表明 Mge1的原生靶向序列是線粒體蛋白轉運壓力下的核信號傳遞和Pdr3激活的關鍵 。

盡管Mge1前序列整體保守性不高，其N端前25個殘基在酵母中相對保守，其中前20個氨基酸單獨表達即可在不影響蛋白轉運的情況下誘導mitoCPR，且完全依賴Pdr3。AlphaFold3預測顯示，該短螺旋通過R2、R10與Pdr3的負電口袋形成離子相互作用，F4 嵌入疏水腔體增強特異性。點突變R2Q、R10Q或F4A的前體雖能積累并入核，卻無法恢復mitoCPR激活，證明 上述殘基對其與Pdr3結合和mitoCPR信號傳遞至關重要 。

綜上所述， 本研究 揭示了一種此前未被認識的線粒體—細胞核通訊模式：線粒體靶向序列不僅是蛋白導入的定位信號，還可在轉運受阻時作為應激信息載體，被細胞核直接讀取。Mge1的未導入前體依賴其原生靶向序列進入細胞核，并通過與Pdr3的特異互作，在染色質層面激活mitoCPR轉錄程序 。這一研究明確了 mitoCPR 的信號起點，并將線粒體靶向肽納入跨細胞器應激信號傳遞的調控框架。

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09834-x

制版人： 十一

參考文獻

1. Endo, T. & Wiedemann, N. Molecular machineries and pathways of mitochondrial protein transport.Nat. Rev. Mol. Cell Biol.https://doi.org/10.1038/s41580-025-00865-w (2025).

2. Craig, E. A. Hsp70 at the membrane: driving protein translocation.BMC Biol.16, 11 (2018).

3. Pfanner, N., den Brave, F. & Becker, T. Mitochondrial protein import stress.Nat. Cell Biol.27, 188–201 (2025).

4. Weidberg, H. & Amon, A. MitoCPR — a surveillance pathway that protects mitochondria in response to protein import stress.Science360, eaan4146 (2018).

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