TRMU缺失诱导线粒体tRNA修饰缺陷通过组织特异性电子传递链重构介导斑马鱼肝衰竭的机制研究

《Journal of Biological Chemistry》：Deficient mitochondrial tRNA modifications arising from TRMU mutation led to the liver-specific failure

本研究针对TRMU突变导致线粒体tRNAGlu、tRNAGln和tRNALys的τm5s2U修饰缺陷为何特异性引发肝衰竭这一临床难题，通过构建trmu基因敲除斑马鱼模型，系统分析了五种组织中线粒体tRNA代谢、氧化磷酸化（OXPHOS）复合体组装及功能的差异。研究发现肝脏中OXPHOS复合体I/III/IV的稳定性与活性受损最为显著，且肝脏特有的高复合体I/II活性比使其更依赖复合体I介导的电子传递，从而解释了肝组织对TRMU缺失的敏感性。该成果为线粒体疾病的组织特异性机制提供了新视角，发表于《Journal of Biological Chemistry》。

　　

在生命科学的微观世界里，线粒体作为细胞的“能量工厂”，其功能异常常导致一系列疾病。其中，线粒体转移RNA（tRNA）的转录后修饰缺陷与多种人类疾病密切相关，尤其引人关注的是TRMU基因突变引发的急性婴儿肝衰竭。但一个长期困扰科学界的谜团是：为何相同的基因突变，主要损害肝脏，而其他器官相对“幸免”？这一组织特异性背后的分子机制一直模糊不清。

为了解开这一谜团，由Xiao He、Qinghai Zhang、Chao Chen、Yutao Wu、Kai Wang、Shihao Yao、Haiyan Sun和Min-Xin Guan组成的研究团队，以斑马鱼为模型，展开了一项深入探究。他们的研究成果发表在《Journal of Biological Chemistry》上，揭示了TRMU缺失通过扰乱线粒体tRNA修饰，导致组织特异性的电子传递链（ETC）重构，最终特异性地引发肝衰竭的全新机制。

研究人员综合运用了多种关键技术：通过基因编辑技术构建trmu基因敲除（KO）斑马鱼模型；采用APM凝胶电泳、天然/变性凝胶电泳及氨基酸酰化分析评估五种组织（脑、肌肉、眼、肝、卵）中线粒体tRNA的修饰水平、构象、稳定性和氨基酸酰化程度；利用转录组测序（RNA-seq）和基因集富集分析（GSEA）比较组织间基因表达差异；通过蓝绿原生胶电泳（BN-PAGE）、胶内酶活检测以及琥珀酸脱氢酶（SDH）/细胞色素c氧化酶（COX）组织化学染色系统评估OXPHOS复合体的组装、稳定性和活性；并采用组织病理学分析（H&E染色、油红O染色）、整体原位杂交（WISH）和活体成像技术表征肝表型。

Liver-specific manifestation caused by the loss of trmu in zebrafish

组织学分析显示，trmu^-/-斑马鱼肝脏出现明显的肝脂肪变性和肝细胞肿大，而脑、肌肉、眼组织未见异常。整体原位杂交和转基因荧光成像进一步证实突变体幼虫肝脏显著增大，重现了患者肝衰竭表型。

Tissues-specific thiolations in the mitochondrial tRNAs

APM凝胶分析发现，野生型斑马鱼五种组织中tRNA^Gln、tRNA^Glu、tRNA^Lys的τm⁵s²U修饰水平存在显著差异，而突变体中这三种tRNA的2-硫修饰完全缺失。

Tissue-specific effects of tRNA conformations

天然凝胶电泳显示，trmu缺失导致tRNA^Glu和tRNA^Lys在肝脏和卵中出现异常电泳条带，表明其构象发生组织特异性改变，而对照tRNA^Ala等无此变化。

Tissue-specific changes in the levels of mitochondrial tRNAs

Northern印迹发现突变体肝脏中五种被测tRNA的稳态水平显著升高（达野生型的178.4%-268.0%），而脑、眼、卵组织则表现为降低或变化不一，提示tRNA稳定性调控具有组织特异性。

Increased aminoacylation levels of mitochondrial tRNAs

酸性尿素凝胶分析表明，突变体脑和卵组织中tRNA^Lys和tRNA^Trp的氨基酸酰化水平升高，可能源于补偿性稳定或核糖体翻译暂停。

Transcriptome analysis of five tissues in trmu^-/-and WT zebrafish

RNA-seq分析揭示突变体肝脏中线粒体RNA代谢相关基因（如SUV3）下调最为显著，GSEA富集分析进一步表明肝脏对trmu缺失导致的线粒体RNA代谢紊乱最敏感。

Liver tissue-specific defects of OXPHOS complexes

BN-PAGE及免疫印迹显示，突变体肝脏中复合体I、III、IV的组装和稳定性受损最严重（水平降至野生型的31.6%-46.5%），而复合体II和V无显著变化。胶内酶活检测和组织化学染色证实肝脏复合体I和IV活性大幅下降，且SDH染色完全缺失，表明肝脏复合体II活性极低。

Tissues specific ETC composition in zebrafish

对野生型斑马鱼的分析发现，肝脏的复合体I/II水平和活性比值显著高于其他组织，表明肝脏电子传递更依赖复合体I而非复合体II，这种独特的ETC组成偏好使其在trmu缺失时更易受损。

本研究结论性地阐明，TRMU缺陷导致的τm⁵s²U修饰缺失，通过引发线粒体tRNA代谢的组织特异性紊乱，进而破坏OXPHOS复合体组装与功能。由于肝脏独特的ETC组成（高复合体I依赖性和极低复合体II活性），使其对TRMU缺失尤为敏感，最终导致肝衰竭。该研究不仅揭示了线粒体疾病组织特异性的新机制，也为开发针对肝特异性线粒体病的治疗策略提供了重要理论依据。