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浙大科研团队发现tRNA修饰酶Mtu1基因缺陷使线粒体”供电不足”引起耳聋

【2018-09-20】
导读:截止到2015年5月,全世界学者共鉴定了97个非综合征型耳聋基因和152个非综合征型耳聋基因位点[1]。迄今为止,科学家共发现了70余个人类致聋基因,其中超过半数为常染色体隐性遗传,而正常人群中携带耳聋基因的比例高达5-6%。遗传导致的迟发性、渐进性和药物性耳聋在新生儿听力筛查时无法检出,导致耳聋发病率一直居高不下。管敏鑫教授团队在之前的研究中已经证实12S rRNA的两个突变位点C1494T和1555A和氨基糖甙类药物性耳聋相关,并且Mtu1基因突变参与调控了上述两个突变的表型;本次研究中利用CRISPR / Cas9系统首次构建了mtu1敲除的斑马鱼模型,从多层次深入探究致病机理,确定mtu1突变导致遗传性耳聋的机理,在于对听力所需的能量“发电厂”的破坏。

近日,国家“千人计划”特聘专家、浙江大学遗传学研究所管敏鑫教授和陈烨研究员共同主导的一项研究中,首次利用基因编辑技术得到了线粒体tRNA转录后修饰基因mtu1缺陷的斑马鱼模型,并从生化、细胞、整体等多层次深入探究了mtu1基因缺陷的影响,以全面的研究视角阐明耳聋“元凶”mtu1的分子致病机制,为遗传性聋病的防治提供了新的科学依据和治疗手段。



目前该研究结果在线发表于国际权威学术期刊《核酸研究》(Nucleic Acids Research),题为《斑马鱼中Mtu1的缺失揭示了转移核糖核酸修饰在线粒体形成和听觉功能中的重要作用》[2]


为什么是斑马鱼?

斑马鱼与人类的基因相似性在85%以上,细胞信号转导通路高度保守,且胚胎透明便于观察和体外操作,是一种优异的研究人类疾病致病机制的脊椎动物模型。

科研人员如何判断mtu1基因突变的斑马鱼“耳聋”了呢?

浙大科研人员表示,从宏观上讲,听力损伤的斑马鱼会表现出异常的惊吓反应和游泳行为。比如,一群斑马鱼在平静的水面下游来游去,这时一滴水滴从高处落下,撞出层层涟漪。正常的斑马鱼立即四下游开,而敲除mtu1基因的斑马鱼没有反应。同时,因为毛细胞还帮助脊椎动物保持运动平衡,这些基因敲除的斑马鱼游泳的样子也与众不同,它们侧躺在水底不动。通过实验,还可以观察到耳室减小和前庭器官中毛细胞的数量和密度的减少等形态学特征。


mtu1-/-突变斑马鱼耳石减小和侧线神经丘数量的减少

管教授表示,mtu1是分布在线粒体内的一种高度保守的tRNA修饰酶,mtu1介导的转录后修饰是确保tRNA行使正确功能的重要质量控制方式,也是维持线粒体功能稳定的关键。

小贴士:

tRNA是细胞内主要的RNA分子之一,存在各种不同的转录后修饰,其在蛋白质合成、组织发育和疾病发生发展过程中起关键调控作用,自50多年前被首次发现以来一直受到科学家的广泛关注。tRNA可将氨基酸这些“零部件”转运和组装成为蛋白质“机器”,进而使之在线粒体中形成可产生能量的“发电厂”。

近年来,科学家们发现线粒体中22种tRNA存在着不同的转录后修饰,在组织发育和疾病发展过程中起到重要调节作用。这些“修饰”,就是一种标记,好比人们在行李箱上贴上不同的贴纸一眼就能认出自己的箱子一样,线粒体合成蛋白质时能够通过这些标记,更加清楚识别需要的tRNA。

前期研究发现,通过体外细胞培养等方法初步证实mtu1突变导致线粒体tRNALys,tRNAGln,和tRNAGlu U34摇摆位点的5-牛磺酰甲基-2-硫尿苷(τm5s2U)修饰水平下降,进而引起线粒体蛋白合成下降、ATP产量下降,同时携带突变基因的细胞对刺激更加敏感,产生更多活性氧。

本研究中,浙大科研人员进一步探究了mtu1突变导致的tRNA τm5s2U修饰障碍进而引起听力损失的分子机制。实验发现,mtu1突变后,斑马鱼线粒体中tRNA的代谢、蛋白的翻译、电子呼吸链酶活性和ATP产能都有显著的改变;这些改变引起的线粒体功能障碍进而导致听觉器官发育缺陷,包括耳石减小和前庭器官中毛细胞的数量和密度的减少等,最终导致听觉功能障碍。


本次研究中利用CRISPR / Cas9系统首次构建了mtu1敲除的斑马鱼模型,从多层次深入探究致病机理,确定mtu1突变导致遗传性耳聋的机理,在于对听力所需的能量“发电厂”的破坏。通俗地说,当mtu1基因突变时,有3种tRNA无法准确识别相关信息,无法精确地合成线粒体产生能量的蛋白质“机器”,“机器”功能受损引发线粒体这个产能发电厂的供电不足。


众所周知,内耳是生物体感知声音的最重要部位,其中内耳毛细胞又是听到声音的关键。内耳毛细胞作为一种高耗能的细胞,其在维持生命活动和行使功能过程中需要大量的线粒体为其供能。因此当mtu1基因影响线粒体功能时,这种“供电不足”引起了生物体的听觉功能障碍。

来源:每日高校、健康报网
参考文献:
[1]杜亚婷,崔庆佳,黄丽辉.耳聋基因检测技术的临床应用进展[J].临床耳鼻咽喉头颈外科杂志,2016,30(08):667-670.
[2] 论文全文链接:https://doi.org/10.1093/nar/gky758.

阅微基因提供的十七项遗传性耳聋基因筛查采用多重荧光PCR-毛细管电泳法,完整检测我国人群中常见的9个基本位点和8个拓展位点,不仅能检测出耳聋基因的携带者,还能发现迟发型耳聋和药物性耳聋,为患者今后的生活提供指导。一次检测,终生受益,阅微基因,省时省心。