每日消息!小而不简单，《细胞》子刊揭示微蛋白的大世界

▎药明康德内容团队编辑

(资料图片仅供参考)

蛋白质是生命活动的主要承担者，蛋白质功能也是目前大部分生物医学研究的焦点。一般认为，人类基因组编码了约两万种蛋白。但是近年来的研究不断证实，人类蛋白质组中还存在着一大类不为人知的“暗物质”。而这些“暗物质”就是我们今天的主角——微蛋白（microprotein）。

微蛋白指的是长度小于100个氨基酸的内源多肽。为何100个氨基酸是一个重要分水岭？它们又为何被长期忽视呢？要回答这些问题，我们需要从基因注释的方法谈起。

研究者注释蛋白编码基因主要有两种手段。第一个是序列分析，包括同源比对和基因结构特征分析等方法；第二个是蛋白质谱，将蛋白切割成多肽后进行直接检测。但这些方法对于小蛋白的鉴定均不友好。比如，短序列在同源比对中天然地显著性不高，小蛋白也往往很难形成特异的质谱信号。因此，目前绝大部分基因组注释算法都人为地忽略了长度小于100个密码子的开放阅读框（具有编码蛋白质潜能的一段碱基序列）。

近年来，研究者手中多了一个表征蛋白翻译的利器——核糖体印迹测序技术（ribosome profiling or ribo-seq）。这项技术通过对被核糖体大小亚基包围的mRNA片段进行制备和测序，可以准确、灵敏地检测翻译事件。研究发现过去认为的mRNA非编码区和部分长非编码RNA（LncRNA）中，存在大量活跃翻译的小开放阅读框。据目前估计，人类基因组中活跃翻译的小开放阅读框的数量介于数千至数万种之间。这代表着，人类基因组中还存在数量庞大且功能不明的蛋白编码基因！

▲核糖体印迹测序技术（图片来源：参考资料[2]）

目前，微蛋白的功能研究方兴未艾。关于微蛋白的生物学功能，还有很多问题尚待解答。比如这些微蛋白主要参与哪些生物学过程？发挥功能时是否具有某些特殊性？

2022年8月16日，来自杜克-新加坡国立大学联合医学院等多个高校的国际研究团队在Cell Reports杂志刊发研究论文，发现BRAWNIN和SMIM4等多种微蛋白能够形成复合体，通过介导营养信号来协同调控线粒体呼吸链复合体装配，确保能量供应和能量需求的匹配。该研究的第一作者为杜克-新加坡国立大学联合医学院博士生梁超和现任职于浙江大学基础医学院的张汕研究员，通讯作者为杜克-新加坡国立大学联合医学院的Lena Ho博士。

该研究团队在前期工作中发现线粒体是微蛋白的重要工作场所；并且鉴定了BRAWNIN、SMIM4和C16ORF91等二十个由核基因编码的线粒体定位微蛋白，发现微蛋白BRAWNIN的缺失将导致呼吸链复合体III的装配缺陷。

在线粒体呼吸中，代谢物被还原，所得电子通过四大呼吸链复合体（复合体I-IV）传递给氧气，同时构建膜电势来驱动ATP合成。呼吸链有多个入口（包括复合体I、复合体II和多种氧化还原酶），但所有的电子流均汇聚于复合体III并最终通过复合体IV传递给氧气。因此，复合体III位于呼吸链的核心功能节点。

在本研究中，研究者揭示了BRAWNIN等微蛋白调控呼吸链复合体III装配的具体机理和生理意义。

使用非变性胶和免疫共沉淀，研究者首先鉴定了BRAWNIN所在复合体的结构组分。有意思的是，SMIM4和C16ORF91这两个先前被独立鉴定的蛋白被发现能够与BRAWNIN稳定结合。除此以外，BRAWNIN还与复合体III核心亚基CYTB的翻译激活因子UQCC1和UQCC2存在物理互作。需要指出，复合体III由11个结构亚基组成，其中核心亚基CYTB由线粒体基因组编码，其余亚基由核基因编码。

研究者将这些协调CYTB翻译的蛋白复合体命名为COM（Co-ordinator of mitochondrial CYTB）并发现了COM的三种组成模式：COMA、COMB和COMC。其中，COMA（由UQCC1、UQCC2和 C16ORF91等3个亚基组成）负责激活CYTB的线粒体翻译，COMB（由COMA与BRAWNIN和SMIM14等两个微蛋白构成）起到稳定新生成CYTB的功能，COMC（由COMA和微蛋白UQCC3构成）则主要参与CYTB的血红素结合。

分析发现，这种多模块组成模式实现了胞浆和线粒体翻译的协同。当核基因编码的亚基被抑制时，COMA组分无法被循环利用，导致线粒体中CYTB的翻译被抑制。更重要的是，胰岛素、AMPK等代谢信号都能显著激活BRAWNIN的表达，使得代谢信号能够灵活地调控复合体III的装配。

▲微蛋白调控呼吸链复合体III的分子机制（图片来源：参考资料[1]）

本研究的特色在于发现了多种微蛋白结合形成蛋白复合体这一有趣的生物学现象，正所谓 “物以类聚”；同时也揭示了微蛋白在调控细胞能量代谢中的重要功能。

张汕研究员表示：“微蛋白是一个巨大的功能宝库，我们才刚刚触碰到它的冰山一角。同时，我们现有研究微蛋白的工具箱还不够大，对小于50个氨基酸的微蛋白的研究才刚刚起步，解决这个新兴领域的关键问题无疑需要多学科、多团队的通力合作。”

参考资料：

[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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