大综述 | 周小龙/魏范研解析人类线粒体tRNA修饰与氨酰化机制

线粒体作为细胞的“动力工厂”，其内部蛋白合成系统的精确性是维持氧化磷酸化（OXPHOS）核心功能的关键。线粒体tRNA（mt-tRNA）虽仅有22种，却负责翻译所有13个呼吸链核心亚基。

mt-tRNA在转录后需历经复杂的修饰与氨酰化过程，这不仅决定了翻译的速率与保真度，更通过新兴的非经典功能将线粒体翻译与细胞全局代谢紧密耦合。

2026年7月14日，中国科学院分子细胞科学卓越创新中心周小龙团队与日本东北大学魏范研团队合作，在Trends in Biochemical Sciences上发表了题为“Modification and aminoacylation of human mitochondrial tRNAs”的综述文章。文章系统梳理了mt-tRNA修饰酶的分子机制、mt-aaRSs的校对原理，并深入探讨了这些关键因子在乳酸化修饰、氧化应激感应及养分监测中的非经典角色，为线粒体相关疾病的诊疗提供了全新视角。

综述整理

一、mt-tRNA的转录后修饰：确保结构与功能的基石

人类22种mt-tRNA上共鉴定出18种不同类型的化学修饰，由近30种修饰酶完成。

这些修饰主要集中在功能上至关重要的反密码子环（Anticodon loop）区域和稳定结构所必需的D臂与T臂。

1.1) 反密码子环区域的关键修饰

该区域的修饰直接影响密码子的识别效率和准确性，是翻译过程的“指挥中心”。

1.1.1) U34位点的牛磺酸修饰（τm⁵U/τm⁵s²U）

• 功能：这是mt-tRNA中最关键的修饰之一，存在于识别“摆动密码子”的tRNA中。该修饰能精确限制反密码子的摆动范围，确保其只与正确的密码子配对，从而同时保证翻译的效率和保真度。

  
  

• 酶与通路：由GTPBP3和MTO1复合体催化形成5-牛磺酸甲基尿苷（τm⁵U），再由MTU1催化硫化形成τm⁵s²U。

  
  

• 疾病关联：GTPBP3、MTO1或MTU1基因的突变会导致该修饰缺陷，引发严重的线粒体疾病，如联合氧化磷酸化缺陷症（COXPD），表现为心肌病、乳酸中毒等。

  
  

1.1.2) C34位点的5-甲酰化胞嘧啶修饰（f⁵C）

• 功能：此修饰专属于mt-tRNA-Met，它赋予了该tRNA识别非标准起始密码子AUA的能力，使其在遗传密码重编中将AUA解码为甲硫氨酸。这是线粒体遗传密码偏离通用密码的关键机制之一。

  
  

• 酶与通路：由NSUN3进行甲基化，再由ALKBH1进行两步氧化，最终形成f⁵C。

  
  

• 临床意义：该修饰的缺失会严重影响线粒体翻译的起始和延伸，抑制细胞呼吸作用。NSUN3的缺失还与抑制肿瘤转移有关，提示其可作为潜在的抗癌靶点。

  
  

1.1.3) A37位点的关键修饰

• 功能：位于反密码子环3'端的A37位点修饰，主要作用是增强密码子-反密码子配对的稳定性，防止移码突变。

  
  

• 主要类型与酶：

  
  

• t⁶A：由YRDC和OSGEPL1催化，存在于解码ANN密码子的tRNA中。

      

• ms²i⁶A：由TRIT1和CDK5RAP1分步催化，其缺失与小头畸形、发育迟缓等神经系统疾病相关。

  
  

• m¹G：由TRMT5催化，在急性髓系白血病的耐药性中起关键作用。

1.2) tRNA主体的其他修饰

这些修饰虽然不直接参与密码子识别，但对于维持mt-tRNA脆弱的L型三维结构的稳定性至关重要。

• m¹A9/m¹G9修饰：由线粒体RNase P的亚基TRMT10C–SDR5C1催化，防止错误的碱基配对，维持tRNA的正确折叠。

  
  

• 假尿嘧啶（Ψ）修饰：是mt-tRNA中最丰富的修饰，由PUS家族的多个酶在不同位点催化，广泛参与tRNA结构的稳定。

  
  

• 其他修饰：如m²G、m²'²G、m⁵C等，由TRMT1、NSUN2等酶催化，共同构成了mt-tRNA精密的修饰网络。

  
  

二、mt-tRNA的氨酰化与校对：速度与精度的双重保障

修饰成熟的mt-tRNA需要被其对应的mt-aaRSs连接上正确的氨基酸，才能参与蛋白质合成。

2.1) mt-tRNA的氨酰化机制

• 经典途径：大多数mt-aaRSs通过两步反应（氨基酸活化和转移）将氨基酸连接到tRNA的CCA末端。

  
  

• 特殊途径：

  
  

• 转酰胺化：线粒体中没有谷氨酰胺tRNA合成酶。EARS2先将谷氨酸错误地连接到tRNA-Gln上，再由GatCAB转酰胺酶复合体将其转化为正确的谷氨酰胺。

  
  

• 甲酰化：为了启动翻译，由MARS2生成的Met-tRNA-Met会被MTFMT进一步甲酰化，形成fMet-tRNA-Met，作为线粒体翻译的起始信号。

  
  

2.2) 错误氨酰化tRNA的校对

• 功能：为了防止由于氨基酸侧链相似导致的误加载，部分mt-aaRSs进化出了编辑功能，能够水解掉错误连接的氨基酸，是维持翻译保真度的第二道防线。

  
  

• 哺乳动物的独特性：

  
  

• 功能丧失：与细菌或细胞质中的同源酶不同，人类FARS2、PARS2和LARS2在进化中丢失了其编辑功能。

  
  

• 功能保留：AARS2和TARS2保留了强大的校对活性，其编辑功能的缺失在小鼠模型中是胚胎致死的，凸显了其在维持线粒体稳态中的极端重要性。

  
  

• 疾病关联：19种mt-aaRSs基因中任何一个发生突变，都可能导致氨酰化或校对功能缺陷，引发一系列以神经系统和肌肉受累为主的线粒体疾病。

  
  

三、mt-aaRSs的非经典功能：超越翻译的跨界角色

近年来，越来越多的证据表明，mt-aaRSs不仅是翻译机器的组件，还是细胞代谢网络中的多功能调节因子。

• AARS2 - 乳酸感应器与乳酸化修饰酶：AARS2能感知细胞内乳酸水平，并利用其催化活性位点将乳酸连接到其他蛋白质的赖氨酸上（乳酸化修饰），进而调节天然免疫信号通路。

  
  

• CARS2 - 硫化物合成酶：CARS2能合成半胱氨酸过硫化物（CysSSH），这是一种重要的信号分子，参与调节细胞的氧化还原稳态。

  
  

• TARS2 - 氨基酸感应器与mTORC1激活剂：部分TARS2存在于细胞质中，能感知苏氨酸水平。当苏氨酸充足时，TARS2会结合并激活mTORC1信号通路，从而促进细胞生长和增殖。

  
  

总结

本文全面回顾了人类mt-tRNA修饰和氨基酰化这两个核心生物学过程的最新进展，系统阐述了其分子机制、功能重要性及与人类疾病的紧密联系。这些发现不仅揭示了线粒体翻译的复杂调控网络，还展现了相关酶在细胞代谢和信号转导中的多效性，为开发针对线粒体疾病的诊断和治疗策略提供了新的方向。