清華新聞網(wǎng)11月28日電 T-box核糖開(kāi)關(guān)是一類(lèi)重要的基因調(diào)控元件，廣泛分布于革蘭氏陽(yáng)性菌中。其核心功能是通過(guò)識(shí)別tRNA 3?末端的氨?；癄顟B(tài)感知細(xì)菌營(yíng)養(yǎng)水平，進(jìn)而精準(zhǔn)調(diào)控相關(guān)基因表達(dá)，對(duì)維持細(xì)菌生長(zhǎng)平衡至關(guān)重要。由于該元件在細(xì)菌中普遍存在而在哺乳動(dòng)物中尚未發(fā)現(xiàn)，針對(duì)T-box核糖開(kāi)關(guān)的藥物設(shè)計(jì)已成為新型抗生素研發(fā)的重要方向。T-box的功能實(shí)現(xiàn)高度依賴(lài)其三維結(jié)構(gòu)與構(gòu)象動(dòng)態(tài)特征。盡管科研人員已成功解析多種T-box-tRNA復(fù)合物的靜態(tài)三維結(jié)構(gòu)，但T-box如何精準(zhǔn)鑒別不同氨?；癄顟B(tài)的tRNA，并啟動(dòng)后續(xù)轉(zhuǎn)錄或翻譯調(diào)控的構(gòu)象動(dòng)態(tài)機(jī)制，長(zhǎng)期以來(lái)仍是領(lǐng)域內(nèi)亟待解決的科學(xué)問(wèn)題。
11月25日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院陳春來(lái)研究組與中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所方顯楊研究組合作，以“tRNA依賴(lài)的構(gòu)象動(dòng)態(tài)與折疊協(xié)調(diào)全長(zhǎng)T-box核糖開(kāi)關(guān)的翻譯調(diào)控”（tRNA-dependent conformational dynamics and folding coordinate translational regulation by a full-length T-box riboswitch）為題在《自然·通訊》（Nature Communications）在線(xiàn)發(fā)表研究論文。研究首次運(yùn)用單分子熒光共振能量轉(zhuǎn)移（smFRET）技術(shù)，系統(tǒng)探究了結(jié)核分枝桿菌（Mycobacterium tuberculosis）ileS T-box核糖開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)，揭示了其在共轉(zhuǎn)錄水平鑒別tRNA 3?末端氨?；癄顟B(tài)、調(diào)控翻譯起始過(guò)程的分子機(jī)制，為深入理解RNA-RNA相互作用的功能機(jī)制及新型抗生素開(kāi)發(fā)提供了重要理論支撐。
應(yīng)用smFRET技術(shù)開(kāi)展RNA構(gòu)象動(dòng)態(tài)研究的核心前提是實(shí)現(xiàn)RNA的高效位點(diǎn)特異性熒光標(biāo)記。受傳統(tǒng)標(biāo)記技術(shù)限制，以往基于smFRET的RNA動(dòng)態(tài)研究多局限于短鏈RNA。研究團(tuán)隊(duì)基于NaM-TPT3非天然堿基（UBP）系統(tǒng)，近期成功開(kāi)發(fā)長(zhǎng)鏈RNA位點(diǎn)特異性標(biāo)記技術(shù)，這一技術(shù)突破為全長(zhǎng)T-box（200-300核苷酸）的構(gòu)象動(dòng)態(tài)研究奠定了基礎(chǔ)。
研究團(tuán)隊(duì)在T-box核糖開(kāi)關(guān)的適配體與鑒別結(jié)構(gòu)域篩選多對(duì)標(biāo)記位點(diǎn)，結(jié)合自主開(kāi)發(fā)的RNA定點(diǎn)熒光標(biāo)記技術(shù)與smFRET技術(shù)，系統(tǒng)觀(guān)測(cè)了不同氨?；癄顟B(tài)tRNA結(jié)合誘導(dǎo)的T-box結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。結(jié)果揭示，T-box通過(guò)“構(gòu)象選擇”機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)tRNA的兩步精準(zhǔn)識(shí)別：第一步為“身份識(shí)別”——tRNA反密碼子區(qū)與T-box解碼結(jié)構(gòu)域結(jié)合，促使Stem I/II形成穩(wěn)定“對(duì)接構(gòu)象”，同時(shí)觸發(fā)鑒別結(jié)構(gòu)域折疊，為后續(xù)氨?；癄顟B(tài)感知做好準(zhǔn)備；第二步為“氨?；癄顟B(tài)感知”——若tRNA未負(fù)載氨基酸，其3?末端與鑒別結(jié)構(gòu)域穩(wěn)定結(jié)合，使開(kāi)關(guān)維持“AntiS”構(gòu)象，暴露SD序列并啟動(dòng)下游基因翻譯。
若tRNA已負(fù)載氨基酸，則誘導(dǎo)鑒別結(jié)構(gòu)域中Stem III與linker區(qū)域呈現(xiàn)高度柔性，促使構(gòu)象轉(zhuǎn)變?yōu)椤癝equestrator”（查封者），隱藏SD序列以抑制翻譯。進(jìn)一步突變實(shí)驗(yàn)證實(shí)，連接適配體與鑒別結(jié)構(gòu)域的linker區(qū)域是感知tRNA氨基酸狀態(tài)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)單元，關(guān)鍵堿基突變會(huì)導(dǎo)致T-box完全喪失對(duì)tRNA氨?；癄顟B(tài)的響應(yīng)能力?？紤]到細(xì)菌內(nèi)RNA折疊伴隨轉(zhuǎn)錄同步進(jìn)行，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步探討共轉(zhuǎn)錄過(guò)程對(duì)T-box調(diào)控機(jī)制的影響。通過(guò)制備不同長(zhǎng)度的T-box截短體（模擬不同轉(zhuǎn)錄中間產(chǎn)物）及熒光標(biāo)記的共轉(zhuǎn)錄T-box/tRNA復(fù)合物，并開(kāi)展smFRET實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明T-box對(duì)tRNA NCCA末端的識(shí)別具有顯著的轉(zhuǎn)錄依賴(lài)性。這一“共轉(zhuǎn)錄調(diào)控”特性使T-box能夠快速響應(yīng)細(xì)胞內(nèi)氨基酸水平變化，實(shí)現(xiàn)基因表達(dá)的高效精準(zhǔn)調(diào)控。
基于上述系列發(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)提出T-box核糖開(kāi)關(guān)的共轉(zhuǎn)錄調(diào)控模型（圖1），首次系統(tǒng)闡明了其在轉(zhuǎn)錄過(guò)程中分步識(shí)別tRNA、鑒別氨?；癄顟B(tài)、動(dòng)態(tài)切換構(gòu)象并最終調(diào)控基因表達(dá)的完整動(dòng)態(tài)過(guò)程。
T-box核糖開(kāi)關(guān)在共轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控基因表達(dá)的模型
中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所研究員方顯楊、清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院副教授陳春來(lái)為論文共同通訊作者。清華大學(xué)已出站博士后牛曉林、新疆大學(xué)2021級(jí)聯(lián)培博士生蔡珊珊為論文共同第一作者。
研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委、北京市生物結(jié)構(gòu)前沿研究中心、中國(guó)博士后科學(xué)基金以及清華大學(xué)“水木學(xué)者”計(jì)劃等的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-025-65388-6
供稿：生命學(xué)院
編輯：李華山
審核：郭玲
