文章标题：Structural insights into cauliflower mitoribosome in translation state and in association with a late assembly factor  

发表期刊：Nature Communications  

发表时间：2025年12月  

影响因子：15.7  

研究介绍

线粒体是真核细胞中负责能量产生的重要细胞器，其内部蛋白合成依赖于线粒体核糖体（mitoribosome）。植物线粒体核糖体在结构上具有显著独特性，含有扩展的rRNA区域及多个植物特异的核糖体蛋白，尤其是富含五肽重复序列（PPR）的蛋白质。然而，植物线粒体核糖体在翻译状态下的结构特异性仍不清楚。

本研究利用冷冻电镜技术，首次在接近原子分辨率水平解析了花椰菜线粒体核糖体在翻译状态及与晚期组装因子RsgA结合时的结构，结合纳米孔直接RNA测序与质谱分析，系统鉴定了其rRNA修饰位点，揭示了植物线粒体翻译机器的独特进化特征与组装调控机制。

主要研究结果

1. 植物线粒体核糖体的高分辨率结构解析与蛋白质组成鉴定

研究通过冷冻电镜技术获得了花椰菜线粒体核糖体的高分辨率结构（整体分辨率达2.1 Å），并成功鉴定了85个核糖体蛋白，其中47个位于大亚基（LSU），38个位于小亚基（SSU）。包含53个与细菌同源的蛋白，22个与其他真核生物线粒体核糖体共享的蛋白以及10个植物特异性蛋白（其中8个为PPR蛋白）。这些植物特异性PPR蛋白主要参与稳定植物特有的rRNA扩展区域，形成如SSU头部延伸、LSU背面重塑结构域等独特结构模块（图1a-e）。例如，SSU头部延伸区域由mS80（rPPR6）和 mS81（rPPR8）稳定，而LSU背面的结构重塑则依赖于mL104和mL101等PPR蛋白的相互作用。这些结构特征体现了rRNA扩展与PPR蛋白招募之间的协同进化关系。

图1 花椰菜线粒体核糖体的高分辨率结构

2. 植物线粒体核糖体含有丰富的rRNA修饰 

通过冷冻电镜图谱分析、纳米孔直接RNA测序和质谱技术，研究共鉴定出39个潜在的rRNA修饰位点，其中19个被至少两种方法确认为保守修饰。这些修饰包括8个假尿苷（Ψ）和3个2′-O-核糖甲基化（Nm）位点，主要集中在解码中心、肽酰转移酶中心等重要功能区域附近（图2a-c）。与仅含有少量修饰的哺乳动物或酵母的线粒体核糖体相比，植物线粒体核糖体保留了更多来源于细菌祖先的修饰类型，表明其在进化过程中选择性地维持了这些古老的修饰特征。例如，位于解码中心附近的甲基化位点m⁶A1827和m⁶A1828，以及在肽酰转移酶中心区域的Gm2560和Um2857，均显示出高度的功能保守性。

图2 植物线粒体核糖体的rRNA修饰图谱

3. 翻译状态下线粒体核糖体的结构特征  

通过氯霉素处理使核糖体停滞在P位点tRNA结合状态，研究获得了分辨率3.0 Å的翻译状态结构（图3a）。该结构清晰展示了氯霉素在肽酰转移酶中心的结合模式，其作用机制与细菌核糖体高度相似，印证了该区域的进化保守性。同时，结构揭示了mRNA在解码中心的路径，以及SSU中uS13m和uS9m等蛋白与tRNA反密码环的相互作用方式（图3c）。值得注意的是，mRNA通道显示出植物特异性特征：通道入口由uS3m、mS31/46和mS35等蛋白形成的头部突起结构参与调控；mRNA通道出口附近存在植物特异性PPR蛋白mS77和mS86，其中mS86的螺旋结构在mRNA存在时更稳定，提示其可能响应mRNA结合（图3d-e）。

图3 处于翻译状态的植物线粒体核糖体

4. 晚期组装因子RsgA通过植物特异性结构域阻断mRNA通道  

研究利用不可水解的GTP类似物处理，捕获了小亚基与组装因子RsgA结合的晚期组装中间体（分辨率2.2 Å）。RsgA蛋白的整体结构与细菌同源物相似，其GTP酶结构域结合于SSU的解码中心。植物RsgA含66个氨基酸的C端延伸，其α螺旋插入小亚基mRNA通道中部（uS3m-uS5m-uS4m界面），物理阻断mRNA结合，防止未成熟小亚基过早起始翻译（图4c-g）。系统发育分析表明，RsgA的C末端延伸在陆生植物中广泛保守，但在裸子植物中缺失。这一功能与人类线粒体核糖体组装因子RBFA通过其线粒体特异性延伸阻断mRNA通道的机制类似，体现了核糖体组装调控机制的功能趋同。

图4 与RsgA结合的晚期小亚基组装中间体

研究总结

本研究通过结合高分辨率冷冻电镜结构解析、纳米孔直接RNA测序和质谱分析，全面揭示了花椰菜线粒体核糖体的独特结构特征、rRNA修饰及翻译与组装机制。研究发现植物线粒体核糖体在保留细菌起源核心功能区域（如肽酰转移酶中心）保守性的同时，通过rRNA结构域的扩展和大量植物特异性PPR蛋白的招募，形成了独特的结构模块。其丰富的rRNA修饰保留了较多细菌祖先的特征，与修饰大幅减少的哺乳动物或酵母线粒体核糖体形成鲜明对比。更重要的是，研究阐明了一种由植物特异性RsgA C末端延伸介导的、通过阻塞mRNA通道来确保小亚基正确组装的调控机制，展示了与人类RBFA功能的趋同进化。这些发现不仅深化了对植物线粒体翻译机器独特进化路径的理解，也为探讨线粒体功能在植物生长发育与环境适应中的作用提供了重要结构基础。

参考文献  ：

Skattsogiannis V, Wolff P, Nguyen T-T, et al. Structural insights into cauliflower mitoribosome in translation state and in association with a late assembly factor. Nat Commun. 2025.

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-025-65864-z