哺乳類のミトコンドリアにおけるリーダーレスおよびポリシストリック転写産物の翻訳開始

ミトコンドリアオックスフォス複合体の合成は細胞代謝の中心ですが、ミトコンドリア翻訳の多くの分子の詳細はとらえどころのないままです。ヒトミトコンドリアの翻訳開始は、開始因子MTIF2およびMTIF3に結合したミトリボソームの小さなサブユニットと、イニシエーターTRNAとmRNAとともに、細菌系と同様の方法で進行すると一般に考えられています。しかし、細菌とは異なり、ほとんどのヒトミトコンドリアmRNAは、小さなサブユニット結合を媒介できる5 'リーダーシーケンスを欠いており、リーダーレスmRNAがミトリボソームによってどのように認識されているかという疑問を提起します。ミトコンドリア翻訳因子の細胞ノックアウトの生化学的および遺伝的特性評価とともに、新しいin vitroミトコンドリア翻訳開始アッセイを使用することにより、ヒトミトコンドリアの翻訳開始のユニークな特徴を説明します。in vitroでは、リーダーレスmRNA転写産物は、イニシエーターFMET-TRNAMET結合を必要とする方法で、組み立てられた55Sミトリボソームに直接ロードできますが、ミトリボソームの小サブユニット（28S）には直接ロードできないことを示しています。さらに、ヒト細胞およびin vitroでは、リーダーレスミトコンドリア転写産物の翻訳にはMTIF3活性が必要ではないが、Bicistronic ATP8/ATP6転写産物の場合のATP6の翻訳に不可欠であることを実証します。さらに、MTIF2はミトコンドリアタンパク質合成に不可欠であることを示しています。私たちの結果は、ミトコンドリア翻訳システムの重要な進化的相違を示し、さらに真核生物代謝の中心的なプロセスの基本的な理解を示しています。

The synthesis of mitochondrial OXPHOS complexes is central to cellular metabolism, yet many molecular details of mitochondrial translation remain elusive. It has been commonly held view that translation initiation in human mitochondria proceeded in a manner similar to bacterial systems, with the mitoribosomal small subunit bound to the initiation factors, mtIF2 and mtIF3, along with initiator tRNA and an mRNA. However, unlike in bacteria, most human mitochondrial mRNAs lack 5' leader sequences that can mediate small subunit binding, raising the question of how leaderless mRNAs are recognized by mitoribosomes. By using novel in vitro mitochondrial translation initiation assays, alongside biochemical and genetic characterization of cellular knockouts of mitochondrial translation factors, we describe unique features of translation initiation in human mitochondria. We show that in vitro, leaderless mRNA transcripts can be loaded directly onto assembled 55S mitoribosomes, but not onto the mitoribosomal small subunit (28S), in a manner that requires initiator fMet-tRNAMet binding. In addition, we demonstrate that in human cells and in vitro, mtIF3 activity is not required for translation of leaderless mitochondrial transcripts but is essential for translation of ATP6 in the case of the bicistronic ATP8/ATP6 transcript. Furthermore, we show that mtIF2 is indispensable for mitochondrial protein synthesis. Our results demonstrate an important evolutionary divergence of the mitochondrial translation system and further our fundamental understanding of a process central to eukaryotic metabolism.