PNAS∣高寧研究團隊在原核核糖體的組裝和翻譯研究中取得新進展
2020年6月22日，北京大學生命科學學院高寧教授實驗室在PNAS雜志在線發(fā)表了題為“Loss of a single methylation in 23S rRNA delays 50S assembly at multiple late stages and impairs translation initiation and elongation”的研究論文。該研究工作發(fā)現(xiàn)，細菌核糖體大亞基中23S rRNA的U2552位點甲基化修飾的缺失，既會減緩細胞內核糖體50S大亞基的組裝速度，也會降低核糖體翻譯蛋白質的效率，揭示了RNA甲基化修飾對核糖體生物合成與翻譯功能調控的重要意義。
核糖體（Ribosome）是由RNA和數(shù)十種蛋白質組裝形成的分子機器，原核生物的核糖體分為50S大亞基和30S小亞基，它們的組裝過程都高度復雜，為眾多組裝因子所精密調控。RNA修飾酶是其中一大類重要的組裝因子，它們負責修飾核糖體RNA中保守的功能性區(qū)域，對核糖體亞基的組裝和翻譯功能的發(fā)揮有著重要的影響。大腸桿菌50S亞基中的23S rRNA上存在25種RNA修飾，包括13種甲基化修飾，但其準確的分子功能目前尚不明晰。甲基轉移酶RrmJ從細菌到人類中都高度保守，它催化23S rRNA U2552位點的2'-O-甲基化。RrmJ的缺失會導致細菌嚴重的生長缺陷，以及細胞內大亞基組裝中間體的累積。
在本項工作中，該團隊從rrmJ敲除菌株中通過條件優(yōu)化純化出內源的核糖體組裝中間體，利用冷凍電鏡技術解析這些50S亞基不成熟的中間體在不同鎂離子濃度下的三維空間結構。結構分析顯示，這些中間體都處于晚期組裝階段，與成熟50S大亞基相比，只有L16，L35，L36這三個核糖體蛋白缺失，結構差異則集中在核糖體大亞基的功能中心——肽基轉移酶活性中心（PTC，peptidyl transferase center），涉及23S rRNA的H38, H68-71和H89-93。這些結果表明U2552甲基化的缺失顯著的降低了50S大亞基體內組裝的效率，細胞中積累的不成熟前體的活性中心都尚未構象成熟（Fig. 1）。
此外，rrmJ敲除菌株中已經(jīng)完成組裝的50S大亞基的結構分析發(fā)現(xiàn)：U2552位點甲基化的缺失導致了臨近區(qū)域G2553堿基的翻轉，并使A-loop（50S亞基中負責結合tRNA的重要元件）中其它核糖核苷酸的位置發(fā)生了不同程度的偏移，暗示了這些“成熟”的50S亞基可能也有功能上的缺陷。
Fig 1. rrmJ敲除菌株不成熟50S大亞基中間體的冷凍電鏡結構
基于這一線索，進一步的快速動力學的體外翻譯實驗表明，rrmJ敲除細菌成熟的50S亞基在翻譯起始復合物的形成中只有50%的活性，與30S結合的速度也只有野生型50S的一半。突變菌的70S核糖體仍然可以行使肽鍵的形成、肽鏈的釋放和核糖體循環(huán)等功能；但在每一輪肽鏈延伸過程中，其tRNA轉位速度卻都比野生型慢20% (Fig. 2)。這種層級性累積的減速將使蛋白質整體性的合成速度大大減緩。
Fig 2. rrmJ敲除細菌核糖體的動力學快速生化分析
綜上所述，核糖體大亞基23S rRNA上U2552位點的甲基化修飾對核糖體的生物生成的效率和蛋白質翻譯速度都有重要的影響，這一發(fā)現(xiàn)有助于深化理解RNA修飾在核糖體調控中的功能及其分子機制。
北京大學生命科學學院高寧教授和瑞典Uppsala大學的Suparna Sanyal教授是本文的共同通訊作者，高寧實驗室已畢業(yè)碩士汪偉（現(xiàn)為北大哲學系博士生）、已畢業(yè)博士李婉秋（現(xiàn)為南方科技大學博士后）和Suparna Sanyal實驗室的葛學亮博士為本文共同第一作者。該項目受到國家自然科學基金委員會和科技部的項目資助。
原文鏈接：https://www.pnas.org/content/early/2020/06/17/1914323117
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