细胞的生命活动离不开数以万计的蛋白质，而这些蛋白质的生产过程，即翻译，并非在细胞质中随意发生。相反，细胞采用一种精妙的策略——局部翻译，确保蛋白质在其功能所需的特定区域被合成，从而实现快速响应并精确调控各项生理功能。麻省理工学院生物学教授兼怀特海德生物医学研究所成员乔纳森·魏斯曼（Jonathan Weissman）的团队，长期致力于探索局部翻译如何影响细胞功能及其对环境变化的适应性。
近期，魏斯曼教授与其实验室的博士后研究员骆靖川（Jingchuan Luo）在《细胞》（Cell）期刊上发表了一项开创性研究，极大地拓展了我们对线粒体局部翻译的认知。线粒体作为细胞的能量中心，其独特起源使得其蛋白质生产具有特殊性。该研究不仅推出了一种名为LOCL-TL的全新工具，能够以前所未有的精度探究线粒体附近的局部翻译活动，更进一步描绘了线粒体局部翻译的两种主要蛋白质类别。
线粒体局部翻译的独特意义
线粒体曾是独立生存的细菌，在漫长的进化过程中被整合入宿主细胞，逐渐失去了自主性。这一内共生起源导致了其基因组的特殊分布：大部分线粒体所需蛋白质的编码基因已迁移至细胞核基因组，而线粒体自身仍保留少量基因。因此，细胞必须精确协调核基因组和线粒体基因组编码的蛋白质生产，以确保线粒体组装的完整性和功能性。任何生产失衡都可能导致线粒体部件的不匹配，进而影响其正常运作。局部翻译被认为是细胞管理这种复杂协调过程的关键机制之一，它能确保核编码的线粒体蛋白质在需要时、需要处高效合成，避免不必要的能量消耗和潜在的错误组装。
革新探测方法：LOCL-TL的技术突破
为了深入研究局部蛋白质的生产过程，魏斯曼实验室此前开发了一种名为“近距离特异性核糖体谱”（proximity-specific ribosome profiling）的方法。该方法通过在目标结构附近标记核糖体，从而捕获正在合成蛋白质的核糖体及其编码的RNA片段。然而，将此技术应用于哺乳动物细胞的线粒体面临着严峻挑战。核糖体的翻译速度极快，被标记的核糖体可能在几分钟内就转移到细胞其他区域继续工作，这使得精确捕获线粒体附近的瞬时翻译活动变得异常困难。
为了解决这一时间敏感性问题，魏斯曼团队早期在酵母细胞中利用了一种依赖生物素（biotin）激活的核糖体标记工具BirA。BirA与目标细胞结构融合，仅在生物素存在时激活并标记附近的核糖体。研究人员通过控制生物素的供应，可以精确限制标记发生的时间窗口。然而，此策略无法直接应用于哺乳动物线粒体，因为哺乳动物细胞的线粒体需要生物素来维持正常功能，无法进行生物素耗竭。
针对这一难题，骆靖川和魏斯曼对现有工具进行了巧妙改造，使其响应蓝光而非生物素。这款新工具，命名为LOV-BirA，被融合到线粒体外膜上。在实验中，细胞被预先置于黑暗环境，待研究人员准备就绪后，短暂暴露于蓝光下即可激活LOV-BirA，启动对线粒体附近核糖体的标记。经过数分钟的标记后，研究人员迅速提取核糖体，确保所捕获的核糖体确实是在线粒体附近工作。这种基于蓝光激活的方法极大地提高了捕获线粒体局部翻译的准确性。
随后，研究人员采用魏斯曼实验室原创的RNA提取方法，从捕获的核糖体中提取正在翻译的RNA片段。这一“粒度”（granularity）分析能够精确揭示蛋白质在被捕获时已翻译的长度，从而判断是整个蛋白质都在线粒体局部合成，还是部分在其他地方合成后在线粒体完成。正如骆靖川所指出的：“我们工具的一个优势在于其提供的粒度。能够了解蛋白质的哪一部分是在局部翻译的，有助于我们更深入地理解局部翻译的调控机制，进而探究其在疾病中的失调现象，并在未来的研究中实现对局部翻译的精准控制。”
两类蛋白质的线粒体局部合成机制
通过LOCL-TL方法，研究人员发现大约20%的核编码线粒体蛋白质在线粒体附近进行局部翻译。这些蛋白质可以被清晰地划分为两大类，它们在进化历史和局部翻译机制上均表现出显著差异。
一、长链蛋白质：古老机制的精确传承
第一类蛋白质的特点是其相对较长的氨基酸链，通常包含超过400个氨基酸残基。这类蛋白质具有细菌起源的特征，意味着它们可能存在于线粒体的细菌祖先中。值得注意的是，它们在哺乳动物细胞和酵母细胞中均保持局部翻译的模式，这强烈暗示了其局部翻译机制在漫长的进化过程中受到了高度保守的维持，凸显了其在细胞功能中的基础性重要作用。
与许多核编码线粒体蛋白质类似，这些长链蛋白质含有一个线粒体靶向序列（MTS），这一“邮政编码”指导细胞将它们运送到线粒体。然而，研究人员发现大多数含有MTS的蛋白质还包含一个附近的抑制序列，该序列能阻止蛋白质在完全合成之前被转运。而这第一类局部翻译的长链蛋白质则缺乏这种抑制序列，这意味着它们在翻译过程中即可被招募至线粒体。
这些长链蛋白质的合成通常在细胞质的任何位置开始，但在大约前250个氨基酸合成完成后，它们便被招运至线粒体。在蛋白质的剩余部分合成过程中，它被同时导入线粒体内膜上的转运通道。这种“共翻译转运”（co-translational import）机制虽然高效，但也长时间占据了转运通道，限制了其他蛋白质的导入。因此，细胞只能将这种同步合成和导入的优先权赋予少数关键蛋白质。研究人员推测，这些细菌起源的蛋白质之所以享有此等优先权，可能是一种古老的进化机制，旨在确保它们在线粒体内部的精确生产和定位，从而维持线粒体的核心功能。
二、短链蛋白质：新近进化的RNA调控策略
第二类局部翻译的蛋白质则呈现出不同的特征：它们的长度较短，通常少于200个氨基酸。这类蛋白质的进化时间相对较近，与此相对应，研究人员发现其局部翻译机制并非酵母细胞所共有，这表明它可能代表了哺乳动物细胞特有的精细调控策略。这些短链蛋白质在线粒体的招募发生在RNA水平。
具体而言，这些蛋白质的信使RNA（mRNA）分子在其不编码最终蛋白质的调控区域内含有两个特定的序列。这些序列充当了细胞招募机制的识别信号，指示细胞将相应的mRNA分子招募到线粒体附近进行翻译。为了识别参与这种招募过程的分子，研究团队进行了深入探索，并成功鉴定出一种在线粒体上存在的RNA结合蛋白——AKAP1。当研究人员通过实验方法消除AKAP1后，这些短链蛋白质的翻译变得无序，在细胞内随机分布。
这一发现为理解局部翻译的功能提供了宝贵契机，使研究人员能够观察到在缺乏局部翻译时细胞会发生何种变化。结果显示，当这些短链蛋白质未能在线粒体附近进行局部翻译时，会导致多种线粒体蛋白质的损失，其中包括那些参与细胞主要能量生成途径——氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）的关键组分。这表明，短链蛋白质的精确局部翻译对于维持线粒体的能量代谢和整体功能至关重要。
广阔前景：LOCL-TL在生物医学中的应用潜力
魏斯曼和骆靖川的研究为局部翻译领域带来了革命性的突破，不仅揭示了线粒体蛋白质合成的复杂性，更指明了未来的研究方向。他们计划深入探讨局部翻译如何影响线粒体的功能和疾病状态下的线粒体功能障碍。
LOCL-TL这一创新工具的适用性远不止于线粒体研究。研究团队期望将其应用于其他细胞器和多种细胞类型，从而更广泛地理解局部翻译在胚胎发育、神经可塑性等关键生物学过程中的作用。魏斯曼教授强调：“这种方法应该广泛适用于不同的细胞结构和细胞类型，为理解局部翻译如何促进生物学过程提供了大量机会。”
特别是在疾病研究领域，LOCL-TL展现出巨大的潜力。研究人员对探索局部翻译在神经退行性疾病、心血管疾病和多种癌症等复杂疾病中的潜在作用抱有浓厚兴趣。通过深入解析局部翻译的机制，科学家们有望发现新的疾病生物标志物，开发出更精准的诊断工具，并为这些尚未攻克的疾病提供创新的治疗策略。这项研究不仅拓宽了我们对细胞内部运作机制的理解，更为未来生物医学研究和临床应用开启了全新的探索路径。
