蛋白质合成的精准定位是细胞维持正常生理功能的基础。在多细胞生物的复杂体系中，数以万计的蛋白质必须在特定的时间和地点被精确制造，以确保细胞结构的完整性和功能的有效性。这种“就地生产”的机制，即局部翻译，对于细胞快速响应内外环境变化、维持亚细胞器功能至关重要。近年来，科学家们对线粒体这一细胞能量工厂周围的蛋白质局部翻译机制表现出浓厚兴趣，因为这不仅关乎线粒体自身的健康，更可能与一系列复杂疾病的发生发展密切相关。
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）及其团队，长期致力于局部翻译研究。近期，魏斯曼教授与其实验室的博士后罗静川（Jingchuan Luo）合作，在《细胞》（Cell）杂志上发表了一项开创性研究，详细阐述了他们在线粒体局部翻译领域的新发现。他们不仅开发了一种名为LOCL-TL的全新工具，能够以前所未有的细节水平探测局部翻译过程，更借此工具揭示了两种在线粒体附近局部翻译的独特蛋白质群体的特性及其作用机制。
线粒体在细胞中扮演着至关重要的角色，负责产生大部分细胞所需的能量。然而，其独特的起源——线粒体曾是独立生活的细菌，后被宿主细胞吞噬，逐渐演化为细胞内的共生体——决定了其蛋白质生产机制的复杂性。线粒体虽然保留了自身的少量基因组，但其大部分运行所需的蛋白质却由细胞核基因组编码。这意味着，细胞必须进化出一套高效的机制，确保核编码的线粒体蛋白质能够被准确地运输到线粒体。局部翻译，正是在这种背景下发挥作用，它有助于细胞协调线粒体自身基因组和核基因组的蛋白质生产，避免线粒体组装部件的失衡，进而保障线粒体的正常功能。
创新工具：如何高精度捕获局部蛋白质生产过程？
要深入理解局部翻译，首先需要一个能够精准追踪蛋白质合成位置的工具。魏斯曼实验室此前已开发出一种名为“邻近特异性核糖体谱分析”（proximity-specific ribosome profiling）的方法，通过在感兴趣的亚细胞结构附近标记核糖体，从而观察它们正在合成的蛋白质。然而，将这一方法应用于哺乳动物细胞的线粒体时，罗静川面临着巨大的挑战。核糖体工作效率极高，在一个位置标记的核糖体可能在几分钟内就转移到细胞的其他区域。要确保捕获到的核糖体确实是在线粒体附近工作，实验必须在极短的时间内完成。
早期的解决方案是利用一种名为BirA的核糖体标记工具，它在生物素存在时被激活。研究人员通过控制生物素的供给，来限制标记的发生时间。然而，这种方法不适用于哺乳动物线粒体，因为线粒体的正常功能离不开生物素，无法进行生物素耗竭。为了克服这一障碍，罗静川和魏斯曼对现有工具进行了巧妙改造，使其响应蓝色光而非生物素。这款全新的工具命名为LOV-BirA，它被融合到线粒体的外膜上。在实验开始前，细胞被置于黑暗中；当研究人员准备好进行捕获时，他们将细胞暴露在蓝色光下，激活LOV-BirA，使其标记附近的核糖体。经过短短几分钟的标记后，核糖体被迅速提取出来。实践证明，这种光控方法能够极其精确地捕获到仅在线粒体附近工作的核糖体，显著提升了实验的特异性和时间分辨率。
更进一步，研究人员利用魏斯曼实验室原创的方法，提取了核糖体内部的RNA片段。这使得他们能够精确地看到核糖体在被捕获时，蛋白质合成进展到哪个阶段。这一“颗粒度”的优势至关重要，它能揭示蛋白质是在线粒体完全合成，还是部分在其他位置合成后才在线粒体完成。罗静川指出：“我们工具的一个优势在于它提供了极高的颗粒度。能够看到蛋白质的哪个部分是局部翻译的，有助于我们更深入地理解局部翻译的调控机制，进而阐明其在疾病中的失调作用，并为未来的研究中控制局部翻译提供可能。”
两大蛋白质群体：进化史与定位机制的差异
利用LOCL-TL这一强大工具，研究人员发现，在细胞核基因组编码的线粒体所需基因中，约有20%的蛋白质是在线粒体附近局部翻译的。这些蛋白质可以被清晰地划分为两个具有不同进化历史和局部翻译机制的独特群体。
第一类蛋白质：源于细菌的长链蛋白质
这一群体由相对较长的蛋白质组成，每种蛋白质包含400多个氨基酸。这些蛋白质往往具有细菌起源，意味着它们可能存在于线粒体的祖先中，并在哺乳动物和酵母细胞中都保持着局部翻译的特性，这暗示了其局部翻译机制在漫长的进化过程中被高度保守。与许多核编码的线粒体蛋白质一样，这些蛋白质含有线粒体靶向序列（MTS），这相当于一个“邮政编码”，指引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的蛋白质附近还包含一个抑制序列，阻止蛋白质在完全合成前被运输。令人惊讶的是，这组局部翻译的长链蛋白质却缺乏这种抑制序列，这意味着它们在合成过程中就被运输到线粒体。
这些长链蛋白质的合成可以在细胞的任何位置启动，但在合成大约前250个氨基酸后，它们就开始被运输到线粒体。在蛋白质的剩余部分合成时，它同时被送入一个通道，直接导入线粒体内部。这种同步生产和导入的模式会长时间占用线粒体上的导入通道，限制了其他蛋白质的导入。因此，细胞只能将这种高效但资源占用大的机制应用于特定的蛋白质。研究人员推测，这些源于细菌的蛋白质被赋予优先权，这可能是一种古老的机制，旨在确保它们在线粒体内的准确生产和定位，对线粒体的核心功能至关重要。
第二类蛋白质：近期进化的短链蛋白质
第二类局部翻译的蛋白质则由较短的蛋白质构成，每种长度不足200个氨基酸。这些蛋白质在进化上更为“年轻”，相应地，研究人员发现它们的局部翻译机制并非酵母所共有，而是在哺乳动物中特异存在的。它们的线粒体招募发生在RNA层面。在每个RNA分子的调控区域内，有两个不编码最终蛋白质的序列，却编码了细胞将这些RNA分子招募到线粒体的“指令”。
为了识别参与这种RNA招募的分子，研究人员深入探究，最终确定了一种在线粒体中存在的RNA结合蛋白——AKAP1。当他们在线粒体附近消除AKAP1时，这些短链蛋白质在细胞内无差别地进行翻译，失去了其局部定位的特异性。这一发现提供了一个宝贵的机会，让研究人员能够观察在缺乏局部翻译的情况下会发生什么，从而更深入地了解局部翻译效应。结果显示，当这些短链蛋白质无法实现局部翻译时，会导致多种线粒体蛋白质的损失，其中就包括那些参与细胞主要能量生成途径——氧化磷酸化——的关键蛋白质。这直接揭示了这种局部翻译机制对于维持细胞能量代谢和线粒体功能的重要性。
展望未来：LOCL-TL的广泛应用与疾病治疗潜力
魏斯曼和罗静川的研究工作不仅揭示了线粒体局部翻译的复杂性和精妙机制，更预示着LOCL-TL工具在未来生物医学研究中具有广泛的应用前景。两位研究者计划在未来的研究中，进一步深入探讨局部翻译如何影响线粒体的功能和在疾病中的失调表现。他们也期待将LOCL-TL应用于其他细胞过程中的局部翻译研究，包括胚胎发育、神经可塑性以及各类疾病的发生发展。
魏斯曼教授强调：“这种方法应该能够广泛应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过程提供了大量机会。我们尤其感兴趣的是，通过这项技术，能够在线粒体功能障碍导致的疾病中，例如神经退行性疾病、心血管疾病和癌症等，发现其所扮演的关键角色。”通过揭示这些局部翻译的精细调控网络，科学家们有望为这些棘手的疾病找到新的诊断生物标志物和潜在的治疗靶点，从而为人类健康带来深远影响。这项研究不仅拓宽了我们对细胞内蛋白质合成动态的理解，也为未来精准医疗和疾病干预策略的开发奠定了坚实基础。
