mTERF 基因及其作用研究进展

刘小林，涂玉莲，陈纪鹏

（1.江西宜春学院，江西　宜春 336000；2.宜春市人民医院，江西　宜春 336000）



mTERF 基因及其作用研究进展

刘小林1，涂玉莲2，陈纪鹏1

（1.江西宜春学院，江西宜春 336000；2.宜春市人民医院，江西宜春 336000）

摘 要：线粒体转录终止因子mTERF是一类由核基因编码且高度保守的线粒体DNA结合单体蛋白质，对线粒体、叶绿体功能的调控、生物进化、基因诊断与治疗具有重要作用。从mTERF基因与线粒体和叶绿体的关系、mTERF基因的种类和结构和mTERF基因的作用3个方面综述了动植物中mTERF基因的研究进展。

关键词：基因；线粒体转录终止因子；线粒体；叶绿体；功能；综述

线粒体转录终止因子（又称为mTERF）广泛存在于植物和后生动物中，能够在不同的水平上调节细胞器基因的表达［1］。研究发现，mTERF对线粒体基因的功能起着重要的调控作用［2-5］，对线粒体作用［6］、生物进化、基因诊断与治疗［7-8］具有重要意义。

1 mTERF基因与线粒体和叶绿体的关系

线粒体是有氧氧化和物质代谢的重要场所，是真核生物能量的供应器。参与电子传递和氧化磷酸化的有关组分均存在于线粒体中，并和线粒体的结构有密切关系［9］。研究表明，线粒体与丙酮酸和脂肪酸氧化、氮代谢、亚铁血红素合成等细胞功能密切相关［10］，它具有自主的DNA复制、转录和蛋白质合成系统，线粒体内的蛋白表达受线粒体DNA与核DNA的共同调控［11］。目前，对线粒体基因的表达及其调控的研究已成为热点。转录装置元件如线粒体转录因子A、RNA聚合酶和线粒体转录因子B2等，线粒体基因（mtDNA），转录终止因子家族（MTERFs），核受体激素如类固醇激素受体、视黄素受体、雌激素受体等在线粒体基因表达与调控过程中有重要功能［7-8］。

1989年，Kruse等［12］分离纯化到一个促进线粒体DNA转录终止的DNA结合蛋白，该蛋白与线粒体DNA上16S rRNA基因以及tRNA基因分界处的一段28 bp的序列特异结合，从而提前终止H链的转录。这一蛋白被命名为线粒体转录终止因子（mTERF）。随后，人们相继在人类、海胆、小鼠、黑腹果蝇、水稻和拟南芥等生物中发现了线粒体转录终止因子蛋白家族［7-8］。近年来，有人又在植物的叶绿体中发现了mTERF 基因，从而认为mTERF不仅是线粒体转录终止因子，也是叶绿体基因的转录调控因子。

2 mTERF基因的种类和结构

线粒体转录终止因子家族MTERFs的分子量约40 kDa［13］。目前，研究发现了4类MTERFs，分别称为MTERF1、MTERF2、MTERF3和MTERF4［6，14］。这4类MTERFs都含有大量的亮氨酸拉链样结构［15］，包含一个由30个氨基酸残基组成的结构域［16］，具有3 个由环状结构隔开的α螺旋结构，而且具有与DNA 结合的能力［15，17］。

目前，对人体mTERF基因结构研究较多，而且取得了新进展。陈瑶等［18］研究表明，人的血清抑制基因序列全长1 472 bp，编码框预测含有365个氨基酸，是一个线粒体转录终止样因子。熊伟等［19-21］研究表明，hMTERF1、hMTERF3、hMTERF4均定位于细胞线粒体。其中，hMTERF1蛋白分子量为45.78 kD，等电点为9.49，没有信号肽和跨膜区，含有6 个MTERF基序；hMTERF3蛋白的相对分子质量为47.97×103，等电点为8.60，也没有信号肽和跨膜区，其功能为转运和结合蛋白质，参与基因转录调控；hMTERF4 基因的cDNA编码序列为1 146 bp，编码一个由381个氨基酸组成的亲水性蛋白，分子量为45.78 kD，等电点为9. 49，它只包含4 个MTERF基序。

2010年，Jiménez-Menéndez等［22］研究发现，人的线粒体MTERF通过一个左手超螺旋结构包裹着DNA，该结构被称之为Zurdo结构域，是由9个左手螺旋串联重复形成的。Spåhr等［23］研究表明，在哺乳动物中，MTERFs家簇成员含有约270个残基长的MTERF结构域，这个结构域对于DNA的结合和转录调节是不可或缺的。但目前，人们对这种广泛存在的保守结构域的结构仍不清楚。当前研究表明，人体MTERF3的mTERF结构域会形成一个半环形的右手超螺旋，由数个α螺旋串联重复形成，并形成一种新的三角形3-螺旋基序结构，这种重复基序称为MTERF基序。它存在于后生动物、植物和原生动物的蛋白质中，是一个保守的结构单元。此外，在半环形结构的凹陷侧中间，人们发现了一个窄而且带强正电荷的核酸结合结构。这种结构叫做MTERF结构域的半钳核酸结合模式。

近些年来，对植物mTERF基因的种类和结构研究也取得了一些进展。如在拟南芥和水稻中，人们发现大约有35～48种MTERFs。连瑞丽等［24］对蒺藜状苜蓿Medicagotruncatula的乙烯反应元件结合蛋白基因（mTERF-6） 进行了研究，结果表明该基因完整的读码框序列为654 bp，能编码218个氨基酸，属于EREBP （Ethylene responsive element binding proteins）家族。

3 mTERF基因的作用

细胞器基因的表达（OGE）对植物的发育、呼吸作用和光合作用过程起着关键作用。但迄今为止，人们对它的调控机制仍不十分清楚。OGE需要不同的核编码蛋白质来促进各种细胞器RNAs的转录、编辑、剪接、拼接和调节翻译。在哺乳动物中，许多MTERFs对OGE有重要影响。研究表明，3/4的哺乳动物mTERF实际上不能终止转录，但会在反义转录终止和核糖体合成过程中发挥作用。还有研究表明，在陆生植物进化期间，产生了约30种mTERF，但至今人们对其在光合生物中的作用仍然了解较少［25］。

线粒体在大多数真核细胞中发挥着举足轻重的作用。MTERFs通过调控线粒体DNA的表达而调节细胞与机体的能量代谢、细胞周期增殖和细胞凋亡等生物学行为［7］。有学者对人体MTERF进行研究，发现它以单体的形式作用于mtDNA，使H链的转录提前终止［26］。最新研究发现，mTERF除了上述调控外，更容易让转录重新起始［27］。Marina等［28］对黑腹果蝇DmTTF和海胆mtDBP进行研究，结果表明，与人体mTERF基因相比，虽然它们与线粒体的结合位点、位置及数目发生了改变，但是它们的作用也是通过结合线粒体DNA，使转录终止。

Chen等［29］研究表明，MTERF1在HeLa细胞中能够调节氧化磷酸化活力和细胞增殖。Terzioglu等［30］研究表明，小鼠MTERF1能结合mtDNA，起到阻止mtDNA轻链转录的作用，以防止对光链启动子转录的干扰，但该基因不能调节mtDNA重链的转录。Xiong等［31］研究发现，人体线粒体MTERF2是细胞生长抑制因子。Wenz研究表明，在老鼠细胞中，mTERF2通过调节mtDNA转录来调控氧化磷酸化作用［4］。2013年，Wredenberg等［32］发现，MTERF3能调节无脊椎动物和哺乳动物的线粒体核糖体的生物合成。Ye等［33］研究表明，MTERF4在SH-SY5Y细胞中能够调控MPP（+）引起线粒体功能障碍。徐倩倩［34］的研究表明， Mterfd2基因（又称MTERF4）在发育15.5 d小鼠胚胎的脑、舌、心脏、肺脏、肝脏和肾脏中呈现双等位表达模式，可能对胚胎发育时期器官的形成和精子的形成有重要影响。

在植物中，MTERFs也具有重要功能。有学者对拟南芥mTERF基因的功能开展了相关研究。结果发现，mTERF也是叶绿体基因的转录调控因子［35-37］。2009年， Meskauskiene等［36］发现，拟南芥突变体SOLDAT10 基因编码了1个mTERF蛋白，而且该基因的突变可以部分消除单态氧（singlet oxygen）对拟南芥的损伤，使其保持生长活性。Babiychuk 等［36］对拟南芥mTERF基因突变（bsm）引起的叶片部分白化进行了研究，结果表明，mTERF蛋白对质粒基因的表达和植物发育是必需的。Quesada等［37］在2011年对2例mTERF蛋白进行了基因定位，结果发现它们都是叶绿体的基因而非线粒体的基因，而拟南芥RUGOSA2基因编码的mTERF蛋白在线粒体和叶绿体内均被定位到，这种基因定位对叶片发育研究是必需的。

张晓雷［38］的研究表明，AT4G38160基因（PDE191基因）的沉默导致了植株出现白化表型。进一步研究表明，PDE191基因编码了约333个氨基酸，PDE191蛋白具有7个32或33个氨基酸长度的mTERF基序重复序列，对叶绿体基因的转录起终止作用［39］。

2015年，Romani等研究发现，mTERF6-1和叶绿体的异亮氨酸转移RNA基因（trnI.2）序列之间存在一种特异相互作用，这种特异相互作用对于叶绿体trnI.2的转录是必需的。另外，mTERF对植物其他细胞器的代谢也有重要作用。Hsu等［40］发现，mTERF15的纯合的T-DNA突变体mterf15能够大大延缓植物的营养生长和生殖生长，结构研究表明，mterf15含有两种野生型的基因组序列。mTERF15基因缺乏明显的DNA结合活性但具有线粒体nad2基因内含子3的剪接活性。因此，拟南芥mTERF15基因对线粒体nad2基因内含子3的剪接以及功能复合体Ⅰ的活性是必需的。

Zhao等［41］使用串联和片段复制的方式扩增玉米mTERF基因，将玉米的mTERF基因分成9组，其中第9组mTERF基因因种特异性进化不同于其他组，它定位于线粒体，为线粒体mTERF基因。通过微阵列数据库和RNA序列数据库综合分析，发现这些基因有不同的表型。环境刺激后发现，当玉米幼苗分别处于光/暗交替、盐分、植物激素条件下时，mTERF基因的表达呈现出不同的上调或下调。

连瑞丽等［24］对苜蓿乙烯反应元件结合蛋白基因（MTERF-6）的研究表明，MTERF-6能直接影响植物生长发育的各个阶段，如种子萌发、细胞伸长、细胞死亡、果实成熟和衰老等。

4 结 语

线粒体转录终止因子mTERF是动植物生长发育过程中的一类重要蛋白。它是协调核基因、线粒体基因、叶绿体基因、乙烯诱导基因等表达的纽带，是核质互作的重要桥梁。但直到如今，关于它对叶绿体和线粒体基因表达和调控的机制及其对叶绿体和线粒体发育代谢的作用还不太清楚，今后应加强这方面的研究。

参考文献：

［1］ Romani L，Manavski N，Morosetti A，et al. A member of the arabidopsis mitochondrial transcription termination factor family is required for maturation of chloroplast transfer RNAIle（GAU）［J］. Plant Physiol，2015，169（1）：627-646.

［2］ Roberti M，Bruni F，Loguercio Polosa P，et al. MTERF3，the most conserved member of the mTERF-family，is a modular factor involved in mitochondrial protein synthesis［J］. Biochim Biophys Acta，2006，（1757）：1199-1206.

［3］ Park C B，Asin-Cayuela J，Camara Y，et al. MTERF3 is a negative regulator of mammalian mtDNA transcription［J］. Cell，2007，130：273-285.

［4］ Wenz T，Luca C，Torraco A，et al. mTERF2 regulates oxidative phosphorylation by modulating mtDNA transcription［J］. Cell Metab，2009，9（6）：499-511.

［5］ Camara Y，Asin-Cayuela J，Park C B，et al. MTERF4 regulates translation by targeting the methyltransferase NSUN4 to the mammalian mitochondrial ribosome［J］. Cell Metab，2011，（13）：527-539.

［6］ Linder T，Park C B，Asin-Cayuela J，et al. A family of putative transcription termination factors shared amongst metazoans and plants［J］. Curr Genet，2005，48（4）：265-269.

［7］ 熊 伟，余 敏，左绍远. 线粒体转录终止因子蛋白家族在线粒体基因表达中的调节作用［J］. 中国生物化学与分子生物学报，2015，31（3）：223-231.

［8］ 陈晓勇，敦伟涛，赵兴波. 哺乳动物线粒体基因组转录及其调控机制［J］. 中国草食动物科学，2013，33（2）：53-58.

［9］ 黄卓烈，朱利泉. 生物化学（第二版）［M］. 北京：中国农业出版社，2010. 170.

［10］Scarpulla R C. Transcriptional paradigms in mammalian mitochondrial biogenesis and function［J］. Physiol Rev，2008，（10）：611-638.

［11］Hwarinen A K，Kumanto M K，Marjavaara S K，et al. Effect on mitochondrial transcription of manipulating mTERF protein levels in cultured human HEK239 cells［J］. BMC Mol Biol，2010，11（9）：72-78.

［12］Kruse B，Narasimhan N，Attardi G. Termination of transcription in human mitochondria： Identification and purification of a DNA binding protein factor that promotes termination［J］. Cell，1989，58（2）：391-397.

［13］刘珊珊，李 钰. 哺乳动物细胞线粒体基因的转录与调控［J］. 细胞生物学杂志，2009，31（6）：811-816。

［14］Roberti M，Polosa P L，Bruni F，et al. The MTERF family proteins：mitochondrial transcription regulators and beyond［J］. Biochim Biophys Acta，2009，1787（5）：303-311.

［15］Bruni F，Manzari C，Filice M，et al. D-MTERF5 is a novel factor modulating transcription in Drosophila mitochondria［J］. Mitochondrion，2012，12（5）：492-499.

［16］Yakubovskaya E，Mejia E，Byrnes J，et al. Helix unwinding and base flipping enable human MTERF1 to terminate mitochondrial transcription［J］. Cell，2010，141：982-993.

［17］Hyvärinen A K，Pohjoismäki J L，Reyes A，et al. The mitochondrial transcription termination factor mTERF modulates replication pausing in human mitochondrial DNA［J］. Nucleic Acids Res，2007，（35）：6458-6474.

［18］陈 瑶，何云刚，余 敏，等. 人类线粒体转录终止样因子融合蛋白的构建与表达研究［J］. 云南大学学报（ 自然科学版），2003，25（增刊）：210-212.

［19］熊 伟，杨勇琴，张海洋，等. 人线粒体转录终止因1（hMTERF1）蛋白的生物信息学分析［J］. 生物信息学，2015，13（1）：23-30.

［20］熊 伟，张晓娟，张海洋，等. 基于生物信息学方法预测人线粒体转录终止因子3蛋白的结构与功能［J］. 生物技术通讯，2015，26（3）：367-373.

［21］熊 伟，杨勇琴，张海洋，等. 人MTERF4基因cDNA的克隆及编码蛋白质的生物信息学分析［J］. 生物技术，2015，25（1）：28-35.

［22］Jiménez-Menéndez N，Fernandez-Millan P，Rubio-Cosials A，et al. Human mitochondrial mTERF wraps around DNA through a left-handed superhelical tandem repeat［J］. Nat Struct Mol Bol，2010，17（7）：891-893.

［23］ Spåhr H，Samuelsson T，Hällberg B M，et al. Structure of mitochondrial transcription termination factor 3 reveals a novel nucleic acid-binding domain［J］. Biochem Biophys Res Commun，2010，397（3）：386-390.

［24］连瑞丽，李宇伟，赵德刚. 蒺藜状苜蓿中MtERF-6基因的克隆及序列分析［J］. 草业科学，2006，23（9）：82-87.

［25］Kleine T，Leister D. Emerging functions of mammalian and plant mTERFs［J］. Biochim Biophys Acta，2015，1847（9）：786-797.

［26］Selwood S P，Chrzanowska-Lightowlers Z M，Lightowlers R N. Does the mitochondrial transcription-termination complex play an essential rolein controlling differential transcription of the mitochondrial DNA？［J］. Biochem Soc Trans，2000，28（2）：154-159.

［27］Martin M，Cho J，Cesare A J，et al. Termination factor-mediated DNA loop between termination and initiation sites drives mitochondrial rRNA synthesis［J］. Cell，2005，123（7）：1227-1240.

［28］ Marina R，Paola L. The MTERE family proteins：Mitochondrial transcription regulators and beyond［J］. Biochimica et Biophysica Acta，2009，（1787）：303-311.

［29］ Chen G，Dai J，Tan S，et al. MTERF1 regulates the oxidative phosphorylation activity and cell proliferation in HeLa cells［J］. Acta Biochim Biophys Sin（Shanghai），2014，46（6）：512-521.

［30］Terzioglu M，Ruzzenente B，HarmelJ，et al. MTERF1 binds mtDNA to prevent transcriptional interference at the light-strand promoter but is dispensable for rRNA gene transcription regulation［J］. Cell Metab，2013，17（4）：618-626.

［31］Xiong W，Huang W，Jiao Y，et al. monoclonal antibodies against human mitochondrial transcription termination factor 2（MTERF2）［J］. Protein Exdr Purif，2012，82（1）：11-19.

［32］ Wredenberg A，Lagouge M，Bratic A，et al. MTERF3 regulates mitochondrial ribosome biogenesis in invertebrates and mammals［J］. Plos Genet，2013，9（1）：e1003178.

［33］Ye X，Han Y，Zhang L，et al. MTERF4 regulates the mitochondrial dysfunction induced by MPP（+）in SH-SY5Y cells［J］. Biochem Biophys Res Commun，2015，464（1）：214-220.

［34］徐倩倩. mTERFd2的表达调控机制及生物学功能的初步研究［D］.黑龙江：哈尔滨工业大学，2011.

［35］Rasa M，Marco W W，et al. A mutation in the Arabidopsis mTERF-related plastid protein SOLDAT10 activates retrograde signaling and suppresses1O2-induced cell death［J］. The Plant Journal，2009，（60）：399-410.

［36］Elena B，Klaas V. Plastid gene expression and plant development require a plastidic protein of the mitochondrial transcription termination factor family［J］. PNAS，2011，108（16）：6674-6679.

［37］ Quesada V，Sarmiento-Mañús R，González-Bayón R，et al. Arabidopsis RUGOSA2 encodes an mTERF family member required for mitochondrion，chloroplast and leaf development［J］. Plant J，2011，（68）：571-753.

［38］张晓雷. 拟南芥mTERF蛋白PDE191功能的初步研究［D］. 上海：上海师范大学，2011.

［39］张 翼. 转录终止因子PDE191调控拟南芥rpoA基因的转录终止［D］.上海：上海师范大学，2013.

［40］Hsu Y W，Wang H U，Hsieh M H，et al. Arabidopsis mTERF15 is required for mitochondrial nad2 intron 3 splicing and functional complex I activity［J］. Plos One，2014，9（11）：e112360.

［41］ Zhao Y，Cai M，Zhang X，et al. Genome-wide identification，evolution and expression analysis of mTERF gene family in maize［J］. Plos One，2014，9（4）：e94126.

（责任编辑：成 平）

Progress of mTERF Gene and Its Functions

LIU Xiao-lin1，TU Yu-lian2，CHEN Ji-peng1
（1. Yichun University， Yichun 336000， PRC； 2. Yichun people hospital， Yichun 336000， PRC）

Abstract：Mitochondrial transcription termination factor （mTERF） encoded by DNA in nuclear is a kind of monomeric protein which bind to highly conserved DNA in mitochondria. The gene is significant to regulate metabolism of mitochondria and chloroplasts. It maybe help us to realize evolution of biology， and diagnose and cure illness.The relationship between mTERF gene， mitochondria and chloroplasts， the type， structure， function of mTERF gene are summarized.

Key words：gene； mTERF； mitochondria； chloroplast； function； review

中图分类号：Q754

文献标识码：A

文章编号：1006-060X（2016）05-0125-04

DOI：10.16498/j.cnki.hnnykx.2016.05.035

收稿日期：2016-03-07

基金项目：江西省教育厅2014年度科技计划项目（GJJ14707）

作者简介：刘小林（1966-），男，江西高安市人，教授，主要从事生物化学和分子生物学研究。