2023年3月28日，爱思唯尔(Elsevier)发布了最新2022“中国高被引学者” (Highly Cited Chinese Researchers)榜单。2022“中国高被引学者”上榜共计5216人，其中生物学335位学者。浙江大学遗传学研究所管敏鑫教授再次上榜，连续9年（2014-2022）入选“生化、遗传和生物学”高被引学者。 

管敏鑫教授介绍

管敏鑫，博士，浙江大学“求是讲席”教授，遗传学研究所所长。1983年毕业于杭州大学生物系，1993年获澳大利亚国立大学博士学位；1993-1999年任加州理工学院博士后；1999-2011年在辛辛那提大学儿童医学中心任助理教授、副教授、教授；2011年全职回国加盟浙江大学，曾任生命科学学院院长，医药学部副主任。长期从事线粒体遗传学和母系遗传性疾病的基础研究和临床转化。作为首席研究员（PI），曾经获得5项美国国立卫生研究院（NIH）基金资助。2011年全职回国后，主持国家重点基础研究发展计划（973计划），“十四五”国家重点研发计划，国家自然科学基金重点项目等多项课题。围绕母系遗传性和药物性耳聋、Leber遗传性视神经病变和母系遗传性心血管疾病的遗传规律、致病机制和精准诊治，开拓创新，取得了一系列具有国际领先水平的原创性研究成果并形成重要的理论体系，多项成果得到转化和广泛应用。

自2011年管敏鑫教授全职回到浙江大学以来，团队围绕“线粒体转录后调控”这一关键科学问题，利用体外、细胞和动物模型，用一系列新技术新方法，聚焦线粒体tRNA转录后剪切加工、核苷酸修饰、线粒体基因-核基因协同调控，提出了线粒体基因组轻重链的非对称性转录剪切新理论，揭示了线粒体tRNA转录后调控机制，阐明了线粒体tRNA转录后调控障碍在线粒体心肌病等疾病发生发展过程中的作用，取得了一系列具有国际水平的创新性成果。

1.提出了线粒体基因组轻重链的非对称性转录剪切新理论（Nucleic Acids Res 2019a，2020，Mol Cell Biol 2016，J Biol Chem 2021等）。

人类线粒体DNA分子为闭环双链结构，长16569bp，分为重链（编码12S rRNA，16S rRNA，14个tRNA和12个mRNA）和轻链（编码8个tRNA和ND6）。转录产生3条多顺反子初始转录产物。线粒体拥有独特的转录后剪切机制，tRNA是多顺反子rRNA和mRNA之间重要的衔接子，通过5'（RNase P）和3'（RNase Z）核酸酶剪切，释放tRNA，mRNA和rRNA。这些RNA经过核苷酸修饰等加工后形成成熟有功能的分子，行使生物学功能。但是，对人类线粒体转录剪切的机制知之甚少。管敏鑫教授团队构建了线粒体tRNA 5'和3'体外剪切和细胞内tRNA-mRNA前体检测体系，对转录后剪切加工机制进行了系统研究，发现了线粒体基因组产生三条多顺反子初始转录产物，重链转录产物在转录的过程中通过识别tRNA信号，对RNA分子逐一进行剪切加工，而对轻链的转录本则是转录完成以后对RNA产物从5’端逐个剪切。将线粒体多顺反子比作珍珠项链（tRNA即珍珠），线粒体基因组重链的转录剪切机制可以理解为正序剪切——从口袋中取出项链的同时，每露出一颗珍珠便对其剪切，线粒体基因组轻链的转录剪切则表现为逆序剪切——即当口袋中的项链全部取出后，再从末端对珍珠进行剪切，从而提出了线粒体基因组轻重链非对称性转录剪切的新理论（Nucleic Acids Res 2019a，2020）。

图1.线粒体基因组轻重链非对称性转录剪切示意图

管敏鑫教授研究了转录后剪切加工异常在疾病发生发展中的作用。其中高血压相关的tRNA^Met/tRNA^Gln 4401A>G突变位于重链tRNA^Met和轻链tRNA^Gln基因前体的共享碱基。该突变造成重链编码tRNA^Met 5’端前体的剪切缺陷，但不影响重链编码的其他13个tRNA、12个mRNA和2个rRNA的剪切；该突变导致轻链编码的tRNA^Gln 5’端前体剪切异常，同时影响下游其他7个tRNA和ND6 mRNA的剪切加工。耳聋相关的线粒体tRNA^Asp/tRNA^Ser(UCN) 7516delA突变位于重链tRNA^Asp和轻链tRNA^Ser(UCN)基因的间隔区(AAA/TTT)内。该突变造成重链tRNA^Asp和COX2 mRNA前体的5’端剪切异常，但不影响重链编码的其他RNA的剪切。该突变不仅影响导致线粒体轻链tRNA^Ser(UCN) 5’端前体剪切障碍，而且影响下游轻链编码的tRNA^Tyr等5 个tRNA的剪切加工。另外，高血压相关4263A>G、5655A>G突变分别改变了线粒体tRNA^Ile和tRNA^Ala 5’端剪切位点，这些突变导致RNase P 对tRNA前体分子 5’端剪切效率降低（Mol Cell Biol 2016）；耳聋相关m.7445T>C突变和LHON相关的m.5587A>G突变分别位于tRNA^Ser(UCN) 和tRNA^Ala的3’端剪切位点，导致RNase Z 对tRNA前体分子3’剪切的催化效率下降。这些RNA前体的剪切缺陷引发线粒体tRNA代谢障碍，影响蛋白质合成，造成氧化磷酸化水平功能下降，提升自由基产量，从而导致疾病的发生发展（Mol Cell Biol 2016，J Biol Chem 2021，Nucleic Acids Res 2019a，2020）。

图2.线粒体tRNA^Asp/tRNA^Ser(UCN) 7516delA突变位点示意图

2. 阐明了人类线粒体tRNA核心区域的修饰机理（Nucleic Acids Res 2022，J Biol Chem 2016等）。

线粒体tRNA 分子由62-78个核苷酸组成，核心区域主要包括TΨC环，尤其是55位点的假尿苷修饰，在稳定tRNA的高级结构和功能效应中起重要作用。tRNA核心区域的修饰机制研究，尤其是55位核苷酸修饰主要集中在细菌当中，而人线粒体tRNA核心区域的修饰机制仍是空白，负责修饰的酶仍未鉴定。通过化学分子修饰结合引物延伸技术，管敏鑫教授团队发现Ψ55修饰仅存在于7种线粒体tRNA中——tRNA^Asn，tRNA^Gln，tRNA^Glu，tRNA^Pro，tRNA^Leu(UUR)，tRNA^Met，tRNA^Ser(UCN)，而其它15种tRNA不携带Ψ55修饰，首次发现了催化人线粒体tRNA 55位假尿苷修饰的合成酶TRUB1（Nucleic Acids Res 2022），这是一种高度保守的线粒体假尿嘧啶核苷合成酶。利用体外实验和基因敲除细胞模型，发现TRUB1通过识别序列特征U54U55NNA58，负责4种线粒体tRNA——tRNA^Asn，tRNA^Gln，tRNA^Glu，tRNA^Pro 55位假尿苷修饰形成。此类核苷酸修饰在维持线粒体tRNA分子构象和结构稳定，线粒体蛋白质合成和氧化磷酸化的功能中起重要作用。为进一步阐释线粒体tRNA Ψ55修饰在疾病发生发展中的作用，研究团队对近2000例耳聋家系的队列进行系统全面的tRNA突变筛查，发现3个携带tRNA^Glu 14692 A>G突变的母系遗传性耳聋和糖尿病家系。该突变位于线粒体tRNA核心区域的TΨC环上，使55位点的尿嘧啶替换为胞嘧啶，从而使线粒体tRNA^Glu第55位假尿苷修饰丧失，导致维持tRNA高级结构稳定的18A-Ψ55碱基配对消失，影响tRNA的结构和功能，造成氧化磷酸化功能障碍，从而导致母系遗传性耳聋和糖尿病的发生。首次阐明线粒体tRNA核心区域Ψ55修饰缺陷在疾病发生发展中的作用机制（J Biol Chem 2016）。

图3.TRUB1催化修饰线粒体tRNA 55位假尿苷修饰图

线粒体tRNA反密码子环由32-38位核苷酸组成，其中34-36位是反密码子，负责mRNA密码子的识别，其中34位和37位是核苷酸修饰的热点区域。这些修饰对tRNA结构的稳定和翻译的保真性、效率至关重要。34位是反密码子（34-36）的摆动位点，携带5-牛磺酸甲基尿苷(τm⁵U)和5-牛磺酸甲基-2-硫尿苷(τm⁵s²U)等多种修饰，而对人类线粒体tRNA反密码子环34位核苷酸修饰的调控机制知之甚少。我们在国际上率先鉴定了三种tRNA 34位点修饰酶， 其中MTO1和GTPBP3负责tRNA^Glu, tRNA^Gln, tRNA^Lys，tRNA^Trp和tRNA^Leu(UUR) U34位的τm⁵修饰，MTU1则负责 tRNA^Glu, tRNA^Gln, tRNA^Lys U34位的s²修饰。这些修饰酶基因突变与线粒体心肌病和耳聋等疾病相关，为了阐明线粒体tRNA U34修饰在疾病发生发展中的作用机理，利用CRISPR/Cas9基因编辑技术分别构建了mto1、gtpbp3和mtu1的斑马鱼疾病模型。mto1和gtpbp3敲除斑马鱼在发育早期会表现出心脏发育缓慢且环化异常的表型，在成年期则出现心肌细胞变大、肌纤维变粗等表型，与携带MTO1和GTPBP3突变的线粒体心肌病患者的表型相似。mto1和gtpbp3敲除导致5种tRNA τm⁵修饰缺失，影响tRNA结构和功能，造成线粒体蛋白质合成紊乱，氧化磷酸化功能障碍，心肌细胞功能受损。mtu1基因缺陷的斑马鱼呈现tRNA^Glu, tRNA^Gln, tRNA^Lys s²修饰缺失，线粒体代谢障碍、蛋白质合成受损、氧化磷酸化复合体的组装及活性障碍，ATP产量降低。由此引发的线粒体功能障碍造成斑马鱼耳石减小和毛细胞的数量和密度减少，最终导致听觉功能损伤。揭示了线粒体tRNA 34位点修饰障碍在疾病发生发展中的作用机制（Nucleic Acids Res 2018，2019b，2021a）。

图4.线粒体tRNA U34位修饰示意图

图5.mtu1缺陷斑马鱼毛细胞异常

图6.mto1缺陷斑马鱼心脏异常

线粒体tRNA 37位点紧邻反密码子序列，其核苷酸修饰对蛋白质合成的保真度和效率至关重要。我们从临床家系队列线粒体基因突变筛查切入，发现tRNA反密码子环37位核苷酸修饰缺陷与耳聋和高血压等疾病相关。耳聋相关的tRNA^Asp 7551A>G突变造成37位点上的甲基化修饰（m¹G37）丧失，tRNA^Ile 4295A>G突变使t⁶A37变成m¹G37修饰；高血压相关的tRNA^Met 4435A>G突变引入新的m¹G37修饰；引发tRNA代谢障碍，影响翻译的保真度和效率，从而导致ATP产能下降，导致疾病发生（Nucleic Acids Res 2016，2021b，2021c，J Biol Chem 2018）。