Nhu Dinh 与 Nathalie Bonnefoy 在 IUBMB Life 期刊上发表了一篇题为《Schizosaccharomyces pombe as a fundamental model for research on mitochondrial gene expression: progress, achievements and outlooks》的综述论文，该文于2023年9月27日投稿，2023年11月17日被接收，最终发表于2024年第76卷。两位作者均来自法国巴黎萨克雷大学（Université Paris-Saclay）、法国国家科学研究中心（CNRS）与法国原子能与替代能源委员会（CEA）下属的细胞整合生物学研究所（Institute for Integrative Biology of the Cell, I2BC）。文章系统梳理了裂殖酵母（Schizosaccharomyces pombe）在线粒体基因表达研究中的进展与前景。

本文为综述性论文，故按照类型b进行报告。

文章主题与核心立场

文章围绕裂殖酵母作为线粒体生物学研究模式生物的优势展开，核心论点是：裂殖酵母在线粒体遗传方式、线粒体运输、糖代谢特征、线粒体基因组（mitogenome）结构以及“小菌落阴性”（petite-negative）表型等方面，比酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）更接近人类细胞。因此，裂殖酵母不仅是酿酒酵母的重要补充模型，更在人类线粒体疾病相关的基础与转化研究中具有独特价值。

第一个主要观点：裂殖酵母在线粒体生理特征上高度模拟人类细胞

作者通过表1将酿酒酵母、裂殖酵母与人类在线粒体相关特征上进行了系统比较。裂殖酵母与人类一样，线粒体为单亲遗传，线粒体沿微管运输；而酿酒酵母为双亲遗传，依赖肌动蛋白丝运输线粒体。能量代谢方面，裂殖酵母和人类细胞均不能高效地通过半乳糖发酵增殖，二者都遵循克拉布特里效应（Crabtree effect），即在葡萄糖存在时优先进行发酵而抑制呼吸作用。相比之下，酿酒酵母能够高效发酵半乳糖。线粒体基因组层面，裂殖酵母与人类线粒体DNA均较为紧凑，基因间区短，内含子极少或不存在；转录产生的多顺反子转录本中，rRNA与mRNA几乎总是被tRNA分隔，且非翻译区（UTR）极短或缺失。更重要的是，裂殖酵母与人类都是“小菌落阴性”物种，即线粒体DNA对细胞活力不可或缺。相反，酿酒酵母线粒体基因组大四到五倍，含有大量非编码序列，并且是“小菌落阳性”物种，可在特定条件下丢失线粒体DNA。这些对比为裂殖酵母作为人类线粒体研究模型提供了坚实的理论基础。

第二个主要观点：裂殖酵母线粒体DNA结构与复制机制具有独特性

裂殖酵母线粒体DNA为环状，全长约19 kb，仅编码七个氧化磷酸化（OXPHOS）复合体亚基（cytb、cox1、cox2、cox3、atp6、atp8和atp9）、三个线粒体核糖体组分（urfa、rnl和rns）、25个tRNA以及一个核糖核酸酶P RNA（rnpb）。与酿酒酵母和人类不同，裂殖酵母线粒体DNA的所有编码区均位于同一条链上。线粒体DNA复制遵循滚环复制（rolling circle replication）模型，这与酿酒酵母一致，而人类线粒体DNA在正常条件下采用链置换模型（strand displacement model），在氧化应激时采用滚环模式。作者指出，裂殖酵母线粒体DNA复制起始位点尚未被报道，而酿酒酵母和人类中已有详细图谱。复制所需的蛋白质包括十字形内切酶Cce1、单链DNA结合蛋白Rim1以及DNA聚合酶γ（Polγ）。值得注意的是，Polγ催化亚基pog1的缺失并不立即导致单倍体裂殖酵母死亡，这提示可能存在抑制突变或其他DNA聚合酶（如Polζ）的补偿机制。

第三个主要观点：线粒体DNA完整性的维持与“小菌落阴性”表型密切相关

“小菌落阴性”表型的分子基础在于：野生型裂殖酵母中，线粒体内膜的电化学梯度由OXPHOS复合体III和IV以及完整的F1-F0 ATP合酶（复合体V）维持。当线粒体DNA缺失导致F0结构域无法合成时，裂殖酵母的F1结构域不能像酿酒酵母那样通过水解ATP来维持膜电势。作者提出了“双组分假说”（two-component hypothesis）：裂殖酵母必须同时拥有功能性的电子传递链和完整的F1-F0 ATP合酶，二者之一即可维持线粒体内膜电势并支持细胞存活。这一假说得到了如下证据支持：酿酒酵母的pet9、yme1和inh1在裂殖酵母中均有直系同源物，其中表达酿酒酵母yme1可以将其转变为“小菌落阳性”；自发产生的ptp1-1、ptp2-1、rzl4-1等突变也能实现这种转变，且部分突变定位于F1亚基atp2和atp3。此外，线粒体DNA修复方面，裂殖酵母的cmb1是唯一的HMG-box蛋白，与酿酒酵母abf2和人类TFAM同源；pfh1与exo5通过选择性翻译起始产生线粒体与细胞核双重定位的异构体，分别参与线粒体DNA的维持。

第四个主要观点：线粒体转录遵循保守的启动子与蛋白质机制

裂殖酵母线粒体DNA转录由三个启动子驱动：内含子启动子（pin）、次要启动子（pmi）和主要启动子（pma），三者均位于同一条DNA链上，起始效率依次递增。转录需要RNA聚合酶Rpo41和转录因子Mtf1，两者在体外能特异性地结合三个启动子。Rpo41与酿酒酵母Rpo41及人类POLRMT在结构上具有保守性，均含有N端延伸区和C端催化核心。值得注意的是，免疫沉淀实验提示Rpo41可能与线粒体DNA修复蛋白Pfh1存在相互作用，但尚未被进一步验证。

第五个主要观点：线粒体RNA加工遵循tRNA标点模型

裂殖酵母线粒体DNA转录产生两到三个大的多顺反子转录本，其中rRNA与mRNA几乎总是被tRNA分隔，因此tRNA的内切核酸酶切除能够释放几乎所有组分，这被称为tRNA标点模型（tRNA punctuation model）。该模型在裂殖酵母中已通过引物延伸法和线粒体转录组学得到独立验证。线粒体核糖核酸酶P（RNase P）在裂殖酵母中由一个线粒体编码的RNA组分rnpb和未知的蛋白质组分构成，而人类线粒体RNase P完全由蛋白质组成（PRORP、TRMT10C和HSD17B10），酿酒酵母则由线粒体编码的rpm1和核编码的PPR蛋白rpm2构成。线粒体核糖核酸酶Z长型（RNase ZL）在裂殖酵母中由trz2编码，仅在线粒体中发挥tRNA 3’末端加工功能。mt-mRNA从初级转录本上被释放后，其3’端带有C-core基序，随后由3’-5’外切核糖核酸酶Par1（Rpm1）和DExH/D box RNA解旋酶Pah1（Rpm2）进行进一步加工。

第六个主要观点：PPR蛋白在线粒体RNA稳定性与翻译中发挥多重功能

裂殖酵母编码12个PPR（penta-tricopeptide repeat）蛋白，均定位于线粒体。其中Ppr3负责稳定15S rRNA，Ppr1稳定cox2和cox3 mRNA，Ppr7稳定atp6 mRNA，Ppr6稳定atp9 mRNA。另外，Ppr10与Mpa1协同作用，将线粒体翻译起始因子Mti2和Mti3连接到线粒体核糖体小亚基上，从而促进翻译起始。Ppr2和Ppr5在翻译中的作用尚不完全清楚，其中Ppr5似乎具有普遍的翻译抑制作用。

第七个主要观点：线粒体核糖体具有结构异质性并参与翻译调控

裂殖酵母线粒体核糖体尚未获得结构信息，但通过序列同源性和与翻译激活因子Mrh5的体内相互作用，作者与PomBase合作整理了一份推定的蛋白质组分列表。线粒体核糖体小亚基蛋白Mrp51与Mug178是酿酒酵母Mrp51和人类Mrps28的同源物，二者互不共沉淀，分别存在于两个不同的线粒体核糖体群体中。Mrp51在发酵条件下高表达，缺失致死；Mug178表达量低而稳定，缺失导致细胞色素b（cytb）积累和cox3翻译缺陷，说明该核糖体群体专门负责cytb和cox3 mRNA的翻译。此外，裂殖酵母线粒体含有异常多的串联融合蛋白，其中一半与线粒体核糖体相关，如Aco2-Mrpl49融合蛋白和Rsm22-Cox11融合蛋白，这些融合可能有助于协调线粒体基因表达的各个阶段。

第八个主要观点：一般性线粒体翻译因子在裂殖酵母中呈现中间状态

线粒体翻译起始需要甲硫氨酰-tRNA甲酰转移酶Fmt1、起始因子Mti2（IF2同源物）和Mti3（IF3同源物）。作者发现，Fmt1或Mti3的缺失不影响细胞活力，Mti2缺失则导致发酵和呼吸生长受损、线粒体DNA水平下降和线粒体翻译几乎不可检测，且Mti2对Mti3与线粒体核糖体的结合是必需的。这说明裂殖酵母线粒体翻译既可以由甲酰化的也可以由非甲酰化的甲硫氨酰-tRNA启动。延伸阶段，裂殖酵母同时具有线粒体EF-Tu（Tuf1）和EF-Ts（Tsf1），这一点与人类一致，而酿酒酵母只有Tuf1且不依赖EF-Ts。人类Tsfm可以在裂殖酵母中替代Tsf1，但人类Tufm不能替代裂殖酵母Tuf1，说明线粒体EF-Tu在氨基酸-tRNA递送环节具有物种特异性。终止与核糖体回收阶段涉及Mrf1、Pth1-4、Rrf1和Mef2等因子，遗传互作分析显示Pth4与Mrf1在功能上部分重叠。

第九个主要观点：转录本特异性翻译激活因子与OXPHOS复合体早期组装解偶联

在裂殖酵母中，cox1 mRNA的翻译激活因子包括Ppr4、Mtf2、Mrh5和Sls1，它们形成一个稳定复合物，并通过Mrh5与线粒体核糖体小亚基结合。cytb mRNA的翻译激活因子为Cbp7和Cbp8。这些激活因子与Mug178/Mrp51核糖体异质性共同调控cytb和cox1的化学计量合成。值得注意的是，在酿酒酵母中兼具翻译激活和早期组装功能的Cbp3/Cbp6（对应cytb）和Mss51（对应cox1），在裂殖酵母中仅参与复合体III和IV的组装，不参与翻译调控。这说明裂殖酵母中“翻译-组装”的反馈调节模式与酿酒酵母不同，可能更接近人类细胞。

文章的意义与价值

本文系统性地将裂殖酵母线粒体基因表达的各个层面——从DNA复制、转录、RNA加工、翻译到OXPHOS复合体组装——与酿酒酵母和人类进行了比较。文章的价值在于：第一，为线粒体生物学家提供了一个清晰的框架，帮助理解不同模式生物之间的保守性与差异性；第二，突出裂殖酵母在人类线粒体疾病研究中的潜力，尤其是在线粒体翻译缺陷相关疾病中，裂殖酵母的翻译因子和核糖体组成更接近人类；第三，指出了若干尚未解决的关键问题，如线粒体DNA复制起始位点、RNase P蛋白质组分、PPR蛋白的精确靶标以及线粒体核糖体的高分辨率结构等，为未来研究指明了方向。文章还强调了PomBase数据库、单基因缺失文库和PomBox基因工程工具包等资源对裂殖酵母研究的支撑作用。