高寧研究組揭示新的蛋白翻譯調(diào)控機(jī)制
清華新聞網(wǎng)12月7日電 近日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院高寧課題組和合作者在《自然》（Nature）期刊在線(xiàn)發(fā)表題為 “ArfA、RF2介導(dǎo)的翻譯終止機(jī)制” （Mechanistic insights into the alternative translation termination by ArfA and RF2）的研究論文，報(bào)道了細(xì)菌中在核糖體上形成的、結(jié)合有缺陷信使RNA（mRNA）的翻譯終止?fàn)顟B(tài)復(fù)合物的高分辨冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，并揭示了一類(lèi)保守的小蛋白ArfA（alternative ribosome rescue factor A，另類(lèi)核糖體挽救因子A）在缺陷mRNA翻譯終止過(guò)程中的作用機(jī)制。
另類(lèi)核糖體挽救因子A 在核糖體上的結(jié)合位點(diǎn)。
核糖體上的蛋白翻譯是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，包括翻譯起始、延伸和終止等多步嚴(yán)密調(diào)控的步驟。在細(xì)菌中，當(dāng)?shù)鞍追g進(jìn)行到mRNA上的終止密碼子（stop codon）時(shí)，翻譯終止因子RF1或RF2可以直接識(shí)別終止密碼子，結(jié)合到核糖體上的活性中心，催化釋放共價(jià)偶聯(lián)在肽酰tRNA 3’末端上的新生肽鏈。在細(xì)胞中，轉(zhuǎn)錄提前終止、mRNA錯(cuò)誤加工、藥物或者物理?yè)p傷等因素會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞中產(chǎn)生缺少終止密碼子的mRNA，這類(lèi)有缺陷的mRNA被稱(chēng)為non-stop mRNA。當(dāng)核糖體移動(dòng)到non-stop mRNA的3’末端時(shí)，由于缺少終止密碼子對(duì)RF1/RF2的激活作用，核糖體會(huì)停滯在mRNA的3’末端并且不能夠進(jìn)行正常的翻譯終止。細(xì)胞中積累過(guò)多停滯的核糖體會(huì)產(chǎn)生毒性，真核生物和原核生物都進(jìn)化出了相應(yīng)的質(zhì)量控制體系來(lái)回收這些核糖體。在細(xì)菌中，一類(lèi)針對(duì)non-stop mRNA的挽救系統(tǒng)依賴(lài)于一種小蛋白ArfA?，F(xiàn)有的少量遺傳和生化數(shù)據(jù)表明，當(dāng)核糖體停滯在non-stop mRNA的3’末端時(shí)，另類(lèi)核糖體挽救因子A 結(jié)合到核糖體上的解碼活性中心，招募并激活RF2的肽酰水解活性，從而釋放新生肽鏈。然而，眾多機(jī)制相關(guān)的問(wèn)題尚不清楚。例如，另類(lèi)核糖體挽救因子A 是如何激活RF2的水解功能？是如何區(qū)分不同長(zhǎng)度mRNA結(jié)合的核糖體？
高寧課題組在體外組裝了ArfA/RF2、non-stop mRNA、tRNA（轉(zhuǎn)移tRNA）與核糖體的復(fù)合物，并獲得了該復(fù)合物的高分辨冷凍電鏡結(jié)構(gòu)（3埃分辨率，核心區(qū)域接近2.6埃）。結(jié)構(gòu)表明，另類(lèi)核糖體挽救因子A其在C端的序列結(jié)合于核糖體小亞基上的mRNA入口通道，并占據(jù)了終止密碼子的部分結(jié)合位點(diǎn)，而N端則直接與小亞基解碼中心及RF2相互作用。進(jìn)一步的分析表明另類(lèi)核糖體挽救因子A 扮演了兩個(gè)重要的角色：其N(xiāo)端作為mRNA長(zhǎng)度的感受器（Sensor），如果核糖體尚未行進(jìn)到mRNA的3’末端，mRNA入口通道內(nèi)的核苷酸會(huì)阻礙另類(lèi)核糖體挽救因子A 的結(jié)合；其C端則通過(guò)和RF2直接結(jié)合，從功能上補(bǔ)償了終止密碼子對(duì)RF2的激活效應(yīng)。
這項(xiàng)研究展示了自然界的一種奇妙的功能模擬機(jī)制：具有極大結(jié)構(gòu)柔性的小蛋白可以通過(guò)結(jié)構(gòu)模擬來(lái)取代mRNA上的三堿基終止密碼子的功能。值得一提的是，在這項(xiàng)工作發(fā)表的同一天，《自然》（Nature）和《科學(xué)》（Science）同時(shí)在線(xiàn)發(fā)表了分別來(lái)自德國(guó)慕尼黑大學(xué)威爾遜（Wilson）課題組和英國(guó)醫(yī)學(xué)研究理事會(huì)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室（MRC-LMB）拉馬克里西南（Ramakrishnan，2009諾貝化學(xué)獎(jiǎng)獲得者）課題組的相似的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)工作。
高寧研究組的博士生馬成英和日本弘前大學(xué)（Hirosaki University）的栗田大輔（Daisuke Kurita）博士為該論文的共同第一作者。高寧和姬野俵太（Hyouta Himeno）教授為共同通訊作者。高寧研究組成員李寧寧博士和博士生陳燕也參與了本課題的研究。電鏡平臺(tái)主管雷建林博士在數(shù)據(jù)收集方面給予了大量的幫助。冷凍電鏡數(shù)據(jù)采集得到了國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)設(shè)施（北京）的清華大學(xué)冷凍電鏡平臺(tái)支持，數(shù)據(jù)處理得到國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)設(shè)施（北京）清華大學(xué)高性能計(jì)算平臺(tái)的支持。部分計(jì)算處理也得到了了北京大學(xué)生命聯(lián)合中心高性能計(jì)算平臺(tái)的支持。本工作獲得北京市結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心、教育部蛋白質(zhì)科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、科技部重大科學(xué)研究計(jì)劃專(zhuān)項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金委等的經(jīng)費(fèi)支持。
論文鏈接：http://www.nature.com/nature/journal/vaap/ncurrent/full/nature20822.html
供稿：生命學(xué)院 編輯：襄樺 華山
