5月11 日，国科大杭州高等研究院、中科院分子细胞卓越中心周小龙课题组与上海交通大学医学院孙晓建课题组、中科院分子细胞卓越中心王恩多课题组、中科院有机所房鹏飞课题组联合在国际学术期刊Journal of Biological Chemistry上发表了题为“Loss of threonyl-tRNA synthetase-like protein Tarsl2 has little impact on protein synthesis but affects mouse development”的研究论文。
aaRS是在生物进化过程中保守的一类酶，催化氨基酸与其对应tRNA间的连接，是蛋白质生物合成过程中必需的翻译因子。真核生物具有至少两套(细胞质与线粒体)蛋白质合成系统，因此，细胞具有至少两套独立发挥作用的 aaRS。人类基因组共有37个aaRS基因，其中9种胞质aaRS与3种辅助因子(AIMP1/p43, AIMP2/p38, AIMP3/p18)形成多aaRS复合物 (MSC)。
此前，研究组的相关研究发现，在脊椎动物中，除了TARS1和TARS2基因分别编码细胞质和线粒体苏氨酰-tRNA合成酶(ThrRS) 以外，还存在第三种基因TARSL2 (TARS3)，编码一个与细胞质ThrRS高度类似的蛋白质 (命名为ThrRS-L)。进化分析表明，TARSL2来源于TARS1的基因重复, 是脊椎动物中发现的唯一一例aaRS重复基因。体外研究揭示，小鼠Tarsl2有类似于细胞质ThrRS的氨基酰化活性与编校能力。进一步研究发现人TARSL2是MSC的新成员，以独特的N-末端延伸结构域与p43以及细胞质精氨酰-tRNA合成酶(ArgRS)相互作用从而被整合进MSC中。但Tarsl2在生理条件下是否作为一种aaRS参与蛋白质合成以及其潜在的非经典功能尚不明确。
本研究以Tars1以及Tarsl2基因敲除小鼠模型为主要研究对象，发现Tars1是必须基因，Tars1基因敲除小鼠胚胎致死，表明Tarsl2无法取代Tars1的生物学功能；而Tarsl2基因可以被敲除；在Tarsl2缺失的情况下，小鼠体内tRNAThr稳态水平及氨基酰化水平没有明显变化；相较于野生型小鼠，Tarsl2敲除小鼠体内蛋白质合成速度没有明显变化。此外，尽管Tarsl2与MSC组分Rars1和p43结合，但Tarsl2缺失并不影响Rars1和p43在MSC中的定位，表明Tarsl2是MSC的外围组分。以上结果提示，在生理条件下，Tarsl2并不直接参与蛋白质合成过程，但不能排除在特定刺激或应激条件下，Tarsl2通过氨基酰化tRNAThr参与合成蛋白质的可能性，同时Tarsl2也可能参与tRNA代谢的其他途径，例如加工或修饰。进一步研究发现， Tarsl2对小鼠的生长至关重要，Tarsl2敲除小鼠的骨骼与肌肉发育受损，且Tarsl2敲除小鼠表现出代谢升高的表型。先前有研究表明斑马鱼tars1的无义突变产生失活的截断型tars1蛋白质，会导致血管生成异常。通过构建tarsl2缺失的斑马鱼模型发现， tarsl2不参与斑马鱼的血管生成，且tarsl2的缺失对于斑马鱼的tRNAThr稳态水平及氨基酰化水平没有显著影响，进一步证实tarsl2并不参与蛋白质合成过程。
该工作发现Tarsl2作为脊椎动物中唯一的氨基酰-tRNA合成酶(aaRS)重复基因，其编码的蛋白质Tarsl2在生理条件下并不参与mRNA翻译过程，但其对于小鼠生长、代谢和肌肉发育是必需的，为Tarsl2的非经典功能研究提供了潜在研究方向。
中科院分子细胞卓越中心博士生曾奇玉、上海交通大学医学院博士生张凡和国科大杭州高等研究院博士生张剑辉、中科院有机所博士生黑周斐为本文共同第一作者。国科大杭州高等研究院/中科院分子细胞卓越中心周小龙研究员、上海交通大学医学院孙晓建研究员、中科院分子细胞卓越中心王恩多研究员和中科院有机所房鹏飞研究员为共同通讯作者。该项研究获得国家自然科学基金委、科技部等项目经费的资助。该工作得到中科院分子细胞卓越中心的分子生物学技术平台、细胞分析技术平台、动物实验技术平台的大力支持。特别感谢中国科学院分子细胞科学卓越创新中心研究员胡苹、邹卫国等提供的帮助。
