撰文 | 阿童木

細胞的生長與增殖依賴于營養(yǎng)感應(yīng)與代謝調(diào)控之間的精密協(xié)調(diào)。mTOR和AMPK是其中的關(guān)鍵信號通路，分別在營養(yǎng)充足或能量缺乏時被激活，指導(dǎo)細胞在合成代謝與分解代謝之間切換，從而維持生物合成與能量穩(wěn)態(tài)。作為細胞內(nèi)ATP的主要來源，線粒體的生物合成同樣受到能量狀態(tài)的嚴格調(diào)控。在能量不足或電子傳遞鏈（ETC）功能受損時，AMPK會激活PGC-1α介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄程序以增強線粒體生成；而在營養(yǎng)豐富的環(huán)境下，mTOR通路則促進線粒體合成，以滿足細胞在增殖過程中的能量與代謝需求【1,2】。

小開放閱讀框（sORF）編碼的微蛋白（SEPs）是一類長度小于100個氨基酸的蛋白質(zhì)，常由非經(jīng)典編碼區(qū)（如mRNA的非翻譯區(qū)、lncRNA、內(nèi)含子等）翻譯而來。盡管基因組中存在數(shù)千個有翻譯證據(jù)的SEPs，但其功能尚待揭示。SEPs通常具備疏水性、跨膜結(jié)構(gòu)和富含堿性氨基酸的特征，使其易于定位于帶負電的膜結(jié)構(gòu)，尤其是線粒體【3】。已有研究表明，線粒體ETC中的蛋白約有三成屬于SEP類別，提示其在能量代謝中具有重要作用。盡管正向遺傳篩選已揭示部分SEPs的線粒體相關(guān)功能，但系統(tǒng)性的逆向遺傳篩選仍較為缺乏，限制了這類蛋白功能的深入解析。

一碳代謝通過葉酸循環(huán)為細胞提供嘌呤、胸苷酸及谷胱甘肽等關(guān)鍵代謝中間體，其中絲氨酸是一碳單元的主要來源。該代謝網(wǎng)絡(luò)還連接甲硫氨酸循環(huán)和牛磺酸合成，廣泛參與細胞生長和抗氧化調(diào)節(jié)【4】。由于其在核苷酸合成中的核心作用，葉酸代謝是多種抗癌治療的重要靶點。在急性髓系白血病（AML）中，抗葉酸藥物如甲氨蝶呤（MTX）已顯示出顯著的治療潛力。因此，識別調(diào)控葉酸代謝的關(guān)鍵SEPs，有望為一碳代謝依賴性癌癥提供新的治療靶點。

2025年6月26日，杜克-新加坡國立大學(xué)醫(yī)學(xué)院 Lena Ho 實驗室等在

Molecular Cell

Microprotein

SMIM26

drives oxidative metabolism via serine-responsive mitochondrial translation

作者首先整合超深度核糖體組數(shù)據(jù)（涵蓋約7000個SEPs）、人類心臟組織數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制指標(biāo)及線粒體功能注釋基因，篩選出2534個SEP候選基因，并構(gòu)建CRISPR gRNA文庫。在對抗葉酸藥物敏感的K562細胞中，以SHMT1/2抑制劑SHIN1為選擇壓力開展篩選，發(fā)現(xiàn) LINC00493編碼的95個氨基酸微蛋白SMIM26 在SHIN1處理和氧化培養(yǎng)條件下敲除后顯著降低細胞增殖能力并增加細胞死亡率。SMIM26定位于線粒體內(nèi)膜，其功能與MitoCarta3.0基因網(wǎng)絡(luò)高度相關(guān)。SMIM26缺失降低細胞對外源甲酸的利用能力，提示其在維持線粒體葉酸循環(huán)中扮演重要角色。免疫熒光與APEX2標(biāo)記實驗證實SMIM26部分跨膜結(jié)構(gòu)位于膜間隙和基質(zhì)之間。WGCNA共表達分析顯示 SMIM26 與氧化磷酸化和翻譯過程密切相關(guān)，進一步支持 SMIM26 在線粒體代謝調(diào)控及一碳葉酸循環(huán)中的核心地位 。

在探究其分子機制時，作者發(fā)現(xiàn)SMIM26通過coIP/MS和APEX2標(biāo)記與線粒體絲氨酸轉(zhuǎn)運蛋白SFXN1/2以及線粒體核糖體大亞基形成穩(wěn)定的互作復(fù)合物。SMIM26的13–44位氨基酸構(gòu)成SFXN1結(jié)合域（SBD），其穩(wěn)定性依賴SFXN1；61–76位氨基酸則構(gòu)成核糖體結(jié)合域（RBD），與mito-LSU和TIMM21相互作用，支持新生ETC亞單位的翻譯。雖然SFXN1與核糖體間的結(jié)合在SMIM26缺失后未完全喪失，但其結(jié)合構(gòu)成和伴侶蛋白招募發(fā)生改變，提示 SMIM26調(diào)控SFXN1與核糖體間功能耦合，對線粒體翻譯與復(fù)合體I組裝具有重要調(diào)控作用 。

進一步功能實驗表明，SMIM26缺失顯著抑制SFXN1介導(dǎo)的線粒體絲氨酸輸入，其程度與SFXN1敲除相當(dāng)，重新表達SMIM26可逆轉(zhuǎn)該效應(yīng)。使用穩(wěn)定同位素追蹤發(fā)現(xiàn)， SMIM26缺失細胞中線粒體葉酸循環(huán)活性降低 ，dTTP的M+1/M+2比值下降，甲酸水平減少。代謝組學(xué)分析顯示，甲硫氨酸循環(huán)與轉(zhuǎn)硫化路徑相關(guān)中間產(chǎn)物（如同型半胱氨酸、牛磺酸、谷胱甘肽等）含量顯著下降，SMIM26補表達可部分恢復(fù)上述異常，表明 SMIM26通過調(diào)控SFXN1的絲氨酸輸入，維持了線粒體一碳代謝及相關(guān)生物合成途徑的正常功能 。

為了揭示其對線粒體翻譯的具體影響，研究團隊通過蛋白質(zhì)組分析發(fā)現(xiàn)SMIM26缺失主要影響復(fù)合體I中膜臂PD模塊（ND5所在），導(dǎo)致復(fù)合體I裝配中斷、功能下降，并伴隨CIII2和CIV游離形式增加。復(fù)合體I亞組裝體積聚于500–800 kDa區(qū)間，缺乏ND5模塊，提示其翻譯或整合步驟受阻。RBD或SBD結(jié)構(gòu)域突變體同樣引發(fā)類似缺陷，說明 SMIM26與SFXN1及核糖體的雙重互作對ND5模塊的生物合成和復(fù)合體I組裝至關(guān)重要 。

機制研究表明， SMIM26 通過結(jié)合富含 ND5 mRNA 的線粒體核糖體，促進 ND5 特異性翻譯，從而驅(qū)動復(fù)合體 I 組裝 。 ND5 翻譯依賴的 tRNA 需經(jīng)葉酸循環(huán)產(chǎn)物（如 5-meTHF 和牛磺酸）修飾為τ m?U 、τ m?s2U 形式。 SMIM26 缺失使這些修飾水平下降， ND5 翻譯效率降低，導(dǎo)致復(fù)合體 I 裝配停滯。 “SFXN1-SMIM26-核糖體”的三聯(lián)體機制通過將ND5翻譯核糖體定位于一碳代謝產(chǎn)物附近，確保ND5高效翻譯和復(fù)合體I組裝 。

此外，SMIM26水平對葉酸通量和絲氨酸供給高度敏感。絲氨酸剝奪或MTX/SHIN1處理可降低SMIM26水平和其與SFXN1的結(jié)合，進而影響SFXN1相關(guān)核糖體對ND5 mRNA的富集并抑制復(fù)合體I裝配，表明 SMIM26作為一碳代謝狀態(tài)感應(yīng)器調(diào)節(jié)線粒體翻譯 。

體內(nèi)實驗顯示，SMIM26純合敲除小鼠在e9.5–e10.5期間胚胎致死，提示其對胚胎發(fā)育至關(guān)重要。在AML異種移植模型中，SMIM26敲除抑制OCI-AML2細胞的復(fù)合體I組裝和呼吸功能，抑制增殖和侵襲性，提高宿主存活率；而補充葉酸可逆轉(zhuǎn)該優(yōu)勢，進一步證實 SMIM26通過調(diào)控一碳代謝介導(dǎo)復(fù)合體I翻譯及腫瘤進展 。

綜上所述， 本研究通過SEPs的全基因組篩選鑒定出SMIM26作為營養(yǎng)狀態(tài)感應(yīng)與線粒體翻譯之間的橋梁，協(xié)調(diào)絲氨酸代謝與復(fù)合體I組裝。SMIM26通過促進ND5特異性翻譯，使復(fù)合體I活性與一碳代謝狀態(tài)動態(tài)匹配，從而調(diào)節(jié)細胞氧化還原平衡與代謝能力。

https://www.cell.com/molecular-cell/fulltext/S1097-2765(25)00472-1

制版人： 十一

參考文獻

1. Trefts, E. Shaw, R.J. AMPK: restoring metabolic homeostasis over space and time.Mol. Cell.2021; 81:3677-3690.

2. Liu, G.Y. Sabatini, D.M. mTOR at the nexus of nutrition, growth, ageing and disease.Nat. Rev. Mol. Cell Biol.2020; 21:183-203.

3. Schlesinger, D. et al . A large-scale sORF screen identifies putative microproteins and provides insights into their interaction partners, localisation and function . Preprint atbioRxiv. 2023 .

4. Ducker, G.S. ? Rabinowitz, J.D. One-Carbon Metabolism in Health and Disease .Cell Metab.2017; 25:27-42 .

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