近期，中国科学院分子细胞科学卓越创新中心（生物化学与细胞生物学研究所）研究员周小龙课题组和研究员王恩多课题组合作，在Nucleic Acids Research上，在线发表题为The human tRNA taurine modification enzyme GTPBP3 is an active GTPase linked to mitochondrial diseases的研究成果。

       tRNA分子是细胞内所有RNA分子中，转录后修饰最密集、修饰种类最繁多的RNA分子，其中，发生在反密码子环第34位（Wobble位）的修饰种类最多样，调控反密码子-密码子配对的强度与广度，在遗传信息传递中精确调控基因表达。
       尽管三界生物共有多数tRNA修饰，但某些修饰局限在特定物种或细胞器中，如尿嘧啶牛磺酸修饰（τm5U）只发生在哺乳动物线粒体5种tRNA第34位，包括线粒体tRNALeu(UUR)及tRNALys。进化分析提示，人GTPBP3(hGTPBP3)及人MTO1(hMTO1)负责协同催化生成τm5U，且可能依赖hGTPBP3介导的GTP水解反应，但具体机制不详。
       τm5U修饰缺陷会直接导致多种人类重大疾病，线粒体tRNALeu(UUR)基因A3243G突变造成τm5U修饰缺陷，导致MELAS（线粒体脑肌病伴乳酸中毒及中风样发作综合征）；线粒体tRNALys A8344G突变造成τm5U修饰缺陷，导致MERRF（肌阵挛性癫痫伴随红纤维病）；hGTPBP3、hMTO1突变导致先天性心脏病等。然而，长期以来，τm5U修饰从未被成功重组，致使这些突变致病的生化机制完全未知。西班牙一个研究组的报道显示，人hGTPBP3没有GTPase活力，使得人线粒体tRNA τm5U修饰及hGTPBP3突变导致疾病的机制更令学界费解。
       该研究发现，hGTPBP3以二聚体存在，建立了测定GTPase活性的最适反应条件，首次证实了hGTPBP3是一个有活力的GTPase，测定了其酶反应动力学常数。研究人员通过体外生化分析发现，hGTPBP3单独的G结构域和缺失N-端结构域的hGTPBP3的GTPase活力较低，但仍可二聚化。研究人员构建了一系列hGTPBP3致病突变体，细胞实验表明某些突变体通过泛素化途径降解，导致蛋白质稳态水平显著降低；体外酶动力学数据显示，除E459K突变体之外，其他突变体的GTPase活力均显著下降。
       酵母遗传学互补实验显示，仅D337H突变体可维持酵母生长，表明其他致病突变影响体内tRNA的修饰，进而影响酵母的生长。进一步的研究表明，R3L突变会阻碍蛋白质进入线粒体；E142-R136和E159-R431之间的相互作用对hGTPBP3的结构和功能具有重要意义。此外，该研究还发现了一个新的定位于细胞质的hGTPBP3同源异形体，命名为hGTPBP3-Iso7，暗示其在细胞质中存在尚未揭示的新功能。
       该研究首次证实了hGTPBP3是一个有活力的GTP水解酶，建立了hGTPBP3水解GTP的详细机制，阐释了hGTPBP3基因上一系列致病点突变导致先天性心脏病的生化与细胞基础，发现了一个新颖的定位于细胞质的hGTPBP3同源异形体。研究结果为进一步成功重组τm5U修饰活力、阐明τm5U修饰机制、揭示发生在核基因组以及线粒体基因组中τm5U修饰缺陷导致相关人类疾病的分子机制奠定了基础。