ミトコンドリアヒスチジルtRNA合成酵素の過剰発現は、難聴に関連したtRNA変異に起因するミトコンドリア機能障害を回復させる

Overexpression of mitochondrial histidyl-tRNA synthetase restores mitochondrial dysfunction caused by a deafness-associated tRNA mutation.

• Shasha Gong
• Xiaoqiong Wang
• Feilong Meng
• Limei Cui
• Qiuzi Yi
• Qiong Zhao
• Xiaohui Cang
• Zhiyi Cai
• Jun Qin Mo
• Yong Liang
• Min-Xin Guan

抄録

難聴に伴うm.12201T>C変異は、ミトコンドリアtRNAのアクセプターステム内のA5-U68塩基対に影響を与える。ここでは、難聴に関連したtRNA 12201T>C変異の分子機構をさらに調べ、m.12201T>C変異を持つ細胞質ハイブリッド（サイブリッド）細胞におけるヒトミトコンドリアヒスチジルtRNA合成酵素遺伝子（）の過剰発現がミトコンドリアの機能障害を逆転させるかどうかを検証する。分子動力学シミュレーションを用いて、m.12201T>C変異がtRNAの構造と機能に影響を与えることを明らかにした。アミノアシル化tRNAのアミノアシル化に伴う変異がミトコンドリアの翻訳障害や呼吸不全を引き起こすことを明らかにした。その結果、m.12201T>C変異を持つサイブリッドへの導入により、アミノアシル化tRNAのレベルが56.3から75.0%に上昇するが、他のtRNAのアミノアシル化には変化がないことがわかった。驚くべきことに、過剰発現は、m.12201T>C変異を有する細胞において、tRNAと、tRNA、tRNA、tRNA、tRNA、tRNA、tRNA、およびtRNAを含む非認知tRNAの定常状態レベルを増加させた。このtRNA代謝の改善により、ミトコンドリアの翻訳効率、酸化的リン酸化複合体の活性、呼吸能力が向上した。さらに、m.12201T>C変異を持つ細胞では、過剰発現によりミトコンドリアのATPレベルと膜電位が著しく上昇し、活性酸素の産生が減少した。これらの結果は、過剰発現がtRNA変異に起因するミトコンドリア機能障害を補正することを示しています。これらの知見は、ミトコンドリア疾患の病態生理についての重要な洞察を提供し、ミトコンドリア疾患の治療介入の改善に向けた一歩となります。

The deafness-associated m.12201T>C mutation affects the A5-U68 base-pairing within the acceptor stem of mitochondrial tRNA The primary defect in this mutation is an alteration in tRNA aminoacylation. Here, we further investigate the molecular mechanism of the deafness-associated tRNA 12201T>C mutation and test whether the overexpression of the human mitochondrial histidyl-tRNA synthetase gene () in cytoplasmic hybrid (cybrid) cells carrying the m.12201T>C mutation reverses mitochondrial dysfunctions. Using molecular dynamics simulations, we demonstrate that the m.12201T>C mutation perturbs the tRNA structure and function, supported by decreased melting temperature, conformational changes, and instability of mutated tRNA. We show that the m.12201T>C mutation-induced alteration of aminoacylation tRNA causes mitochondrial translational defects and respiratory deficiency. We found that the transfer of into the cybrids carrying the m.12201T>C mutation raises the levels of aminoacylated tRNA from 56.3 to 75.0% but does not change the aminoacylation of other tRNAs. Strikingly, overexpression increased the steady-state levels of tRNA and of noncognate tRNAs, including tRNA, tRNA, tRNA, tRNA, tRNA, and tRNA, in cells bearing the m.12201T>C mutation. This improved tRNA metabolism elevated the efficiency of mitochondrial translation, activities of oxidative phosphorylation complexes, and respiration capacity. Furthermore, overexpression markedly increased mitochondrial ATP levels and membrane potential and reduced production of reactive oxygen species in cells carrying the m.12201T>C mutation. These results indicate that overexpression corrects the mitochondrial dysfunction caused by the tRNA mutation. These findings provide critical insights into the pathophysiology of mitochondrial disease and represent a step toward improved therapeutic interventions for mitochondrial disorders.

© 2020 Gong et al.