背景

核糖体是生物分子机器，它忠实地将信使RNA (mRNA)分子翻译成形成蛋白质的氨基酸链。它们通过识别mRNA中的密码子(核酸的三联体)，并快速选择性地将它们与携带互补序列的转运RNA (tRNA)分子匹配，这种互补序列被称为反密码子。然后由tRNAs携带的氨基酸由核糖体添加到生长的蛋白质。在人类中，这一过程受到干扰会导致癌症进展、病毒感染、衰老和一些遗传性疾病。因此，mRNA解码是潜在的治疗干预点。连接密码子和氨基酸的代码几乎具有普遍性，这表明这种mRNA解码机制在进化上是保守的。然而，对mRNA解码的结构和机制研究主要在细菌中进行。既往研究表明，与细菌相比，具有核的物种 (真核生物)表现出更精确的mRNA解码，但这种差异的机制和结构基础仍然未知。

简介

2023年4月5日，来自美国圣裘德儿童研究医院的Mikael Holm和Scott C. Blanchard及其团队在Nature (IF: 69.504)杂志上发表名为Mechanism of messenger-RNA decoding in humans illuminated的研究[1]。

研究亮点

被称为核糖体的细胞内机器利用信使RNA序列合成蛋白质。使用单分子成像和低温电子显微镜技术进行的研究揭示了人类核糖体与细菌核糖体在功能上的结构和动力学差异。这些差异解释了为什么细胞核共享物种中的核糖体比它们的细菌对应物更慢、更准确。

主要结果

为了便于准确合成蛋白质，核糖体必须首先验证tRNA的反密码子与mRNA显示的密码子互补。正确的互补是由核糖体的一个称为解码中心的区域监控的。通过这一初始选择步骤会触发与与tRNA复合的蛋白质eEF1A结合的GTP分子的水解分解。GTP水解后，核糖体再次验证密码子-反密码子匹配。只有在这一校对步骤之后，tRNA上的氨基酸才会加入到蛋白质链中。解码mRNA、触发GTP水解并介导氨基酸间肽键形成的核糖体催化中心彼此相距较远。因此，核糖体必须通过大的构象变化来协调复杂的分子识别事件。为了研究人类的mRNA解码，我们将单分子成像 (可用于测量构象变化率)与低温电子显微镜相结合，低温电子显微镜可提供大分子的高分辨率结构快照。

我们揭示了人类核糖体的mRNA解码在结构和动力学上与细菌中的等效过程不同。特别是，校对过程明显较慢，并且与细菌中未观察到的构象变化相关，包括校对过程中小核糖体亚单位相对于大核糖体亚单位的“滚动”。由于这种滚动运动，支撑解码保真度的tRNA运动与既往在细菌中报道的不同 (图1)。滚动过程改变了解码、GTP水解和肽键形成中心之间的距离。我们发现这些构象变化是由eEF1A的真核特异性特征所促进的。这些特征解释了与细菌相比，人类核糖体解码mRNA的速度减慢和更高的准确性。值得注意的是，靶向人类和细菌蛋白质合成机制的小分子正被开发用于治疗感染性疾病和癌症。我们的实验和结构结果揭示了这六种潜在的小分子疗法如何抑制核糖体功能。

图1. 在人类细胞蛋白质合成过程中，转移RNA分子和信使RNA之间的相互作用

结论及展望

细胞内的蛋白质合成机制根据细胞信号而改变。许多这些修饰是针对核糖体催化中心和eEF1A的真核特异性结构元件。我们的观察结果与这种修饰可能影响mRNA解码过程以及蛋白质合成机制的其他方面一致。例如，亚基的滚动可能有助于接受和释放tRNA分子的核糖体两侧之间的通信。这可能有助于质量控制机制，包括对翻译相同mRNA分子的邻近核糖体之间的碰撞做出反应的机制。我们的观察为今后的研究提供了依据，即蛋白质合成机制的修饰可能如何影响mRNA解码中涉及的分子事件的时间和协调，以及在疾病中出错的细胞信号通路。这些努力将通过技术发展使测量比本研究具有更高的时间和空间分辨率成为可能。

原文链接

https://www.nature.com/articles/d41586-023-00727-5

参考文献

1.Mechanism of messenger-RNA decoding in humans illuminated.[J] .Nature, 2023, undefined: undefined.

转自：“生物医学科研之家”微信公众号

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