清華新聞網(wǎng)7月15日電 RNA干擾（RNAi）是許多真核生物中一種保守的RNA沉默機(jī)制，小干擾RNA是RNA干擾的關(guān)鍵組成部分。在小RNA的加工過(guò)程中，Dicer家族蛋白起到了重要的作用，它們發(fā)揮作用的過(guò)程中常需要雙鏈結(jié)合蛋白（dsRBP）作為輔因子來(lái)幫助它們發(fā)揮功能。在果蠅中，siRNA的產(chǎn)生是由ATP依賴(lài)型的Dicer-2（Dcr-2）蛋白在其輔因子Loqs-PD的輔助下，從長(zhǎng)的雙鏈RNA(dsRNA)上等距切割產(chǎn)生21個(gè)堿基對(duì)的雙鏈siRNA。但是對(duì)于A(yíng)TP依賴(lài)型的Dicer-2蛋白如何識(shí)別并切割RNA底物整個(gè)過(guò)程的分子機(jī)制仍不清楚。
7月14日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院王宏偉教授課題組與復(fù)旦大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院麻錦彪教授課題組合作，在《自然》（Nature）期刊上發(fā)表了題為“果蠅Dicer-2/Loqs-PD處理雙鏈RNA的結(jié)構(gòu)機(jī)制”（Structural insights into dsRNA processing byDrosophila Dicer-2–Loqs-PD）的研究論文，通過(guò)冷凍電鏡單顆粒技術(shù)解析了包括Dicer-2/Loqs-PD以及dsRNA的6個(gè)不同狀態(tài)冷凍電鏡結(jié)構(gòu)（圖1），并結(jié)合生化分析首次揭示了Dicer-2/Loqs-PD復(fù)合物結(jié)合并切割雙鏈RNA產(chǎn)生siRNA的分子機(jī)制。
圖1. Dicer-2/Loqs-PD復(fù)合物結(jié)構(gòu)域示意圖，以及結(jié)合雙鏈RNA加工生成siRNA過(guò)程不同狀態(tài)的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)
研究團(tuán)隊(duì)從活性位點(diǎn)突變的Dicer-2/Loqs-PD單獨(dú)蛋白（apo）復(fù)合物結(jié)構(gòu)開(kāi)始解析。之后加入了雙鏈RNA，獲得了無(wú)ATP時(shí)，處在初始結(jié)合狀態(tài)的Dicer-2/Loqs-PD–dsRNA復(fù)合物高分辨結(jié)構(gòu)。發(fā)現(xiàn)在apo狀態(tài)下松散的解旋酶結(jié)構(gòu)域在初始結(jié)合狀態(tài)中像手一樣包裹住了雙鏈RNA并扭曲了RNA的軸，此時(shí)解旋酶中的Hel1與Hel2亞結(jié)構(gòu)域組成了成熟的ATP結(jié)合位點(diǎn)。在該狀態(tài)下還明確了Loqs-PD主要通過(guò)C端與Dicer-2的解旋酶區(qū)域緊密結(jié)合的分子機(jī)制。在初始狀態(tài)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步加入ATP和鎂離子，通過(guò)數(shù)據(jù)收集與計(jì)算分類(lèi)，得到了切割活性狀態(tài)與兩種明顯具有不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的移位狀態(tài)；與初始狀態(tài)比較，兩種移位狀態(tài)中的Dicer-2–Loqs-PD復(fù)合物分別在雙鏈RNA上移動(dòng)了8bp和17bp左右，其中早期移位狀態(tài)（~8bp）可以看作是在初始狀態(tài)上的延伸，而中期移位狀態(tài)（~17bp）中由于雙鏈RNA穿過(guò)解旋酶的長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)，使得Dicer-2 C端的dsRBD結(jié)構(gòu)域能夠結(jié)合雙鏈RNA，并對(duì)RNA的軸進(jìn)行了進(jìn)一步的偏轉(zhuǎn)，使其指向能夠識(shí)別末端PAZ-Platform結(jié)構(gòu)域，RNA進(jìn)一步的深入會(huì)使得其末端結(jié)合到PAZ-Platform結(jié)構(gòu)域。之后，隨著ATP水解導(dǎo)致的RNA進(jìn)一步的深入、形變，從而產(chǎn)生的力使得解旋酶結(jié)構(gòu)域以外的區(qū)域（cap-core區(qū)域）作為一個(gè)整體被RNA撐開(kāi)，RNA進(jìn)一步深入，最終到達(dá)切割活性狀態(tài)，cap-core區(qū)域則緊密的結(jié)合在雙鏈RNA上，確保精確的21bp siRNA的生成。之后研究者們使用正?；钚缘腄icer-2蛋白，獲得了處于切割后狀態(tài)的復(fù)合物，并通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)它處于完成切割后正在回復(fù)到的早起移位狀態(tài)的過(guò)程中。從而將整個(gè)過(guò)程串起，闡明了Dicer-2–Loqs-PD復(fù)合物從結(jié)合雙鏈RNA并在其上移動(dòng)，到形成切割活性狀態(tài)，直至切割完成產(chǎn)生siRNA的整個(gè)循環(huán)過(guò)程的分子機(jī)制和其中連續(xù)且遞進(jìn)的構(gòu)象變化。
清華大學(xué)生命學(xué)院王宏偉教授、復(fù)旦大學(xué)生命學(xué)院麻錦彪教授為論文共同通訊作者，復(fù)旦大學(xué)生命學(xué)院蘇世晨博士和清華大學(xué)生命學(xué)院王家博士為論文共同第一作者，清華大學(xué)生命學(xué)院劉楠博士、李曉敏博士為樣品制備和數(shù)據(jù)收集提供了重大幫助。國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)中心（北京）、清華大學(xué)冷凍電鏡平臺(tái)、清華大學(xué)高性能計(jì)算平臺(tái)和水木未來(lái)(北京)科技有限公司為本研究提供了設(shè)備和技術(shù)支持。本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、北京結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心以及Xplorer獎(jiǎng)項(xiàng)等經(jīng)費(fèi)的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41586-022-04911-x
供稿：生命學(xué)院
題圖設(shè)計(jì)：任帥
編輯：李華山
審核：曲田
