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线粒体是真核细胞中负责能量转换的重要的细胞器。人线粒体基因组全长16569bp，包括37个基因:2个线粒体核糖体的rRNA(16S、12S)基因，22个人线粒体tRNA(hmtRNA)基因，13个参与线粒体氧化磷酸化(OXPHOS)途径的蛋白质基因。与原核细胞或真核细胞质中的tRNA相比，线粒体的tRNA具有两个显著的特点，即数量上的低冗余性和结构上的不稳定性。线粒体tRNA二级结构中的AU配对和不稳定的非Watson-Crick配对含量明显偏高，并且往往具有缩短的环区和茎区，有些甚至缺失了整个的茎环结构。这些决定了线粒体tRNA非常容易受到碱基突变的影响从而导致线粒体疾病。人线粒体tRNALeu具有两个等受体，hmtRNALeu(CUN)和hmtRNALeu(UUR)。通过对已知的致病性突变体tRNALeu的氨基酰化活力测定，我们筛选到G52A和A57G两个位于T-茎和T-环区域的突变体，分别对应G12315A，G3283A和A12320G，A3283G，它们都严重的影响了tRNA的氨基酰化活力，但尚未有人报道其致病机理。我们检测了这些突变对tRNA结构和功能的影响，发现G52A突变体导致tRNA结构松散，影响了tRNA的3末端成熟、碱基修饰、氨基酰化、延伸因子结合等过程;含A57G的tRNA突变体结构与野生型几乎一致，仅对tRNA的3末端成熟、碱基修饰有部分影响，对氨基酰化反应、延伸因子结合有显著改变。 氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase，aaRS)是一类非常古老的多结构域的蛋白质家族，广泛存在于古细菌、原核生物和真核细胞中，以及线粒体和叶绿体等细胞器中，在生命起源和进化过程中发挥了重要作用，参与了由以核糖核酸为主导的生物界到以蛋白质为主导的生物界的转变。根据aaRS一级序列中的特征结构花式(motifs)以及催化功能域的拓扑结构，aaRS被分为两类，每类有10种aaRS。aaRS经典的生物学功能是在蛋白质翻译过程中负责将特定的氨基酸转移到相应的tRNA上，催化氨基酸与其对应的tRNA之间的酯化反应生成氨基酰-tRNA。为了确保遗传信息被正确翻译，aaRS在进化的过程中获得了多种编校机制来保证催化反应的精确性，包括依赖/不依赖tRNA的转移前编校，转移后编校等。人线粒体亮氨酰-tRNA合成酶(human mitochondrial leucyl-tRNA synthetase，hmLeuRS)在细胞质内翻译折叠后，在信号肽的引导下转运到线粒体，在Ser39-Ile40位发生信号肽剪切，以成熟形式进入线粒体内行使功能。已有研究表明hmLeuRS并不具有水解误氨酰化产物的转移后编校活力。我们体外的研究结果证明，hmLeuRS也不具备依赖tRNA的转移前编校活力，仅保留了不依赖tRNA的转移前编校活力。同时hmLeuRS可以误活化Nva、ABA等非对应氨基酸并生成错误的氨基酰化产物。此外，hmLeuRS可以识别多种非自身的tRNA，如Escherichia coli(E.coli) tRNALeu，人胞质tRNALeu，E.coli tRNAArg等。 E.coli LeuRS(EcLeuRS)同时拥有依赖tRNA的转移前和转移后的编校活力来保证催化反应的精确性。依赖tRNA的转移前编校活力基于tRNA的3末端进入编校结构域(CP1 domain)中;转移后编校则依赖误氨基酰-tRNA的3CCA末端摆动到CP1的活性中心。我们鉴定了三个影响tRNA在氨基酰化与编校结构域之间摆动的关键氨基酸残基。在这些关键氨基酸中引入突变几乎能废除EcLeuRS的氨基酰化活力但不影响其氨基酸活化活力，同时依赖tRNA的转移前编校活力会显著增强。进一步的实验表明，增强的转移前编校活力依赖tRNA的CCA末端与CP1结构域间精确的相互作用。这些实验结果证明了tRNA的3末端在两个结构域之间的摆动调节了氨基酰化活力与总的编校活力之间的平衡，同时暗氨基酸残基单点突变虽然造成了氨基酰化活力的降低，但提升的编校活力可以在一定程度上维持LeuRS功能的行使，降低误氨基酰化产物的生成，在体内则可能通过该平衡维持细胞的存活率。位于合成和编校两个结构域间的盐桥可以将游离的tRNA锁定在氨基酰-tRNA合成活性中心，氨基酸残基的成对置换恢复了原有残基间的相互作用，同时部分恢复了LeuRS的氨基酰化活力，这也许就反应了LeuRS进化过程中氨基酸残基的突变过程。