Nature Communications | 高寧研究組與合作者揭示真核核糖體大亞基功能中心的組裝機(jī)制
2020年7月27日及10月9日，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院高寧研究組與卡耐基梅隆大學(xué)的 John L. Woolford Jr. 研究組合作在Nature Communications雜志分別發(fā)表題為 “Coupling of 5S RNP rotation with maturation of functional centers during large ribosomal subunit assembly” 和 “Structural insights into assembly of the ribosomal nascent polypeptide exit tunnel” 的研究論文，報(bào)道了真核核糖體大亞基在細(xì)胞核中的多個(gè)高分辨的前體結(jié)構(gòu)，揭示了核糖體大亞基功能中心在細(xì)胞核內(nèi)的組裝機(jī)制以及它們之間的關(guān)聯(lián)。
真核核糖體的組裝是一個(gè)極其復(fù)雜又高度分級(jí)的過(guò)程，涉及核糖體 RNA（rRNA）的轉(zhuǎn)錄，修飾，加工和折疊以及核糖體蛋白質(zhì)的結(jié)合。在高等真核生物中，有超過(guò)300種因子參與核糖體的組裝，從而保證核糖體的生成準(zhǔn)確而高效地進(jìn)行。核糖體的組裝與細(xì)胞的生長(zhǎng)、增殖和分化密切相關(guān)，研究表明人類(lèi)細(xì)胞中參與核糖體組裝過(guò)程的蛋白發(fā)生突變會(huì)導(dǎo)致組織特異性缺陷的人類(lèi)疾病，統(tǒng)稱(chēng)為核糖體病變（ribosomopathy）。例如先天性再生障礙性貧血癥（DBA, Diamond-Blackfan anemia）臨床表現(xiàn)為貧血、低網(wǎng)織紅細(xì)胞計(jì)數(shù)、巨紅細(xì)胞以及胎兒血紅蛋白表達(dá)增加和腺苷脫氨酶活性升高，是由于多種編碼核糖體蛋白的基因突變所造成的，包括RPS19、RPL5和RPL11等。此外，當(dāng)核糖體組裝出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，游離的5S RNP（CP 的組成部分）會(huì)與腫瘤抑制因子p53的抑制子MDM2結(jié)合，并將其隔離在核仁中，導(dǎo)致p53激活，細(xì)胞周期停滯并最終導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。
得益于冷凍電鏡技術(shù)的發(fā)展，以酵母為模式生物，真核核糖體前體的多個(gè)不同狀態(tài)的高分辨結(jié)構(gòu)獲得了解析。盡管擁有如此豐富的結(jié)構(gòu)信息，但是領(lǐng)域?qū)τ诤颂求w的重要功能中心的組裝以及它們之間在組裝時(shí)是否存在偶聯(lián)還知之甚少，此外對(duì)于大部分組裝因子的具體分子功能尚待探索。核糖體大亞基的功能模塊包括中央凸起（CP, central protuberance）、肽基轉(zhuǎn)移酶中心（PTC, peptidyl transferase center）以及新生肽鏈出口隧道（NPET, nascent polypeptide exit tunnel），這些功能中心在進(jìn)化上是高度保守的。真核核糖體大亞基的前體從核仁到核質(zhì)的組裝過(guò)程中，結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生一些列的重大重組，其中包括組成CP的 5S RNP 的旋轉(zhuǎn)、組成PTC的 rRNA螺旋H68-71的構(gòu)象轉(zhuǎn)換，以及組裝因子 Nog1的C端探入并結(jié)合NPET。
本研究結(jié)合分子遺傳學(xué)，生物化學(xué)以及冷凍電鏡技術(shù)深入的研究了與CP PTC、NPET 組裝相關(guān)的組裝因子的功能，包括Rpf2、Sda1、Nog1以及核糖體蛋白u(yù)L4。通過(guò)一個(gè)組裝因子 Nog2 作為誘餌，在其 C 端加入親和標(biāo)簽，從 rpf2△255-344突變體、Sda1-depletion 突變體、rpl4Δ63-87突變體以及 nog1Δ595-647 rei1Δ341-393 reh1Δ380-432三突變體中親和純化出多個(gè)細(xì)胞核時(shí)期的大亞基前體的內(nèi)源復(fù)合物。進(jìn)一步通過(guò)定量質(zhì)譜和冷凍電鏡表征了這些前體復(fù)合物的組成和結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，早期RNA構(gòu)象成熟可以作為結(jié)構(gòu)檢查點(diǎn)，指導(dǎo)組裝進(jìn)入下一個(gè)步驟，例如Rpf2 CTD的缺失會(huì)使得rRNA螺旋 H68-70處于不正常的中間狀態(tài)，從而進(jìn)一步影響了5S RNP 的旋轉(zhuǎn)以及 PTC 和 NPET 的組裝。作者提出 Rpf2-Rrs1 復(fù)合體穩(wěn)定錨定到核糖體大亞基前體，幫助 H68-70 的正確折疊是核糖體大亞基組裝過(guò)程中的一個(gè)關(guān)鍵質(zhì)量控制檢驗(yàn)點(diǎn)。在針對(duì)NPET組裝相關(guān)的Nog1和uL4的突變株研究中，作者發(fā)現(xiàn) NPET 的組裝與 5S RNP 的旋轉(zhuǎn)是通過(guò) H74 相互偶聯(lián)的，H74 接收NPET組裝缺陷的信號(hào)并阻止CP區(qū)域的進(jìn)一步成熟，并且通道結(jié)合蛋白u(yù)L4的突變會(huì)產(chǎn)生一系列的處于不同組裝階段的缺陷前體（很可能是turnover的中間體），表明NPET的組裝是前體核內(nèi)成熟中的一個(gè)重要質(zhì)量檢查點(diǎn)。
本項(xiàng)工作揭示了真核核糖體前體是如何感知 PTC 以及 NPET 的組裝缺陷并將其傳遞給其它區(qū)域，以及大亞基功能中心的組裝是如何關(guān)聯(lián)并相互影響的，為深入理解核糖體大亞基的組裝過(guò)程提供了重要的結(jié)構(gòu)線索。
圖 一、真核核糖體大亞基功能中心（CP）的組裝步驟。
北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院高寧教授和卡耐基梅隆大學(xué)的 John L. Woolford Jr.教授為這兩篇文章的共同通訊作者，高寧實(shí)驗(yàn)室 2015 級(jí)博士研究生李余為兩篇論文的共同第一作者。該系列課題受到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、科技部和美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院的項(xiàng)目資助，以及北京大學(xué)冷凍電鏡平臺(tái)、高性能計(jì)算中心、生命科學(xué)聯(lián)合中心、生科院儀器中心、膜生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-17534-5
https://www.nature.com/articles/s41467-020-18878-8
版權(quán)與免責(zé)聲明：本網(wǎng)頁(yè)的內(nèi)容由收集互聯(lián)網(wǎng)上公開(kāi)發(fā)布的信息整理獲得。目的在于傳遞信息及分享，并不意味著贊同其觀點(diǎn)或證實(shí)其真實(shí)性，也不構(gòu)成其他建議。僅提供交流平臺(tái)，不為其版權(quán)負(fù)責(zé)。如涉及侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系我們及時(shí)修改或刪除。郵箱：sales@allpeptide.com