Nature重磅：内质网膜上翻译和蛋白质生物发生的可视化

背景

在哺乳动物细胞中，绝大多数细胞器的膜蛋白、分泌蛋白和可溶性蛋白都是在内质网膜上合成的。从核糖体中出现的可裂解N-末端信号肽将大多数分泌通路蛋白靶向到内质网，在ER中新生链继续延伸，伴随着其易位穿过或插入内质网膜。在其延伸周期中，核糖体招募与氨酰基 (A)-位点mRNA密码子匹配的氨酰基- tRNAs (aa-tRNAs)，在氨基酸和新生链之间形成肽键，并将mRNA-tRNAs部分易位。GTP依赖性的eEF1a和eEF2支持必需的tRNA运动，以及核糖体小亚基 (SSU)相对于大亚基 (LSU)的运动。

简介

2023年1月25日，来自荷兰乌得勒支大学的Max Gemmer及其团队在Nature (IF: 69.504)杂志上发表名为Visualization of translation and protein biogenesis at the ER membrane的研究[1]。

主要结果

核糖体中间体和三维分布

我们首先剖析了由膜结合和残留可溶性颗粒组成的核糖体库的翻译状态。聚焦于SSU定位和tRNAs与伸长因子的关联，我们将粒子分为10种不同的状态。为了评估它们的翻译活性，我们使用倒易邻域概率分析检查了这些类别中粒子的相对3D分布，这表明整合到了多聚体中 (图1a-c)。来自8类 (89%)的粒子显示出接近核糖体mRNA入口和出口 (E)位点的概率热点，这是膜结合和胞质核糖体的特征，与以前的低分辨率分析一致。相比之下，两类粒子呈现出无特征的邻域分布，这意味着这些粒子并不参与多聚体。这两类重建的肽基 (P)-位点没有tRNA结合，类似于已知的与eEF2结合的冬眠核糖体复合物。

图1. 捕获的人类核糖体状态和空间分布

SEC61-OSTA-TRAP易位子的结构

以核糖体为中心，对最丰富的种群 (SEC61-OSTA-TRAP易位子)进行了细化，产生了一个4.2 Å-resolution的结构 (聚焦于LSU)，具有分辨率较低的跨膜螺旋 (TMHs) (7-10 Å分辨率)。再聚焦于ER管腔结构域，可使分辨率提高 (6-8 Å) (图3a，b)。这两种密度的组合使我们能够使用阿尔法折叠构建一个近乎完整的原子模型。SEC61通道打开了通往脂质膜的侧门 (图3a，b)。在之前的冷冻-ET研究中，侧门可容纳明显的螺旋密度，这与分离株中信号肽的位置相匹配，可能代表了内质网膜上合成的不同蛋白的信号肽的平均值。

细胞和生化研究表明，由于甘氨酸和脯氨酸残基的存在，TRAP对于表现出弱螺旋倾向的信号肽的蛋白质的生物发生是必需的。与依赖TRAP的前蛋白 (例如朊病毒蛋白)相比，具有显著疏水性螺旋信号肽的前蛋白受到更强的拉力，这可能是由于其信号肽对侧门的亲和力较低。虽然TRAP-SEC61的结构并未为TRAP复合体提供明显的作用机制，但它使我们能够提出一个假设。当信号肽正面穿过SEC61并进入管腔时，它们与管腔TRAPα结构域接触。我们推测，推压SEC61铰链结合TRAPα结构域的新生生长链可能会通过变构机制打开SEC61侧门，并暴露其疏水表面以容纳信号肽。或者，在本研究修订期间，有人提出由TRAP诱导的脂双层调节 (确实可以在我们的膜包埋结构中观察到)可以促进信号肽的插入。需要进行进一步研究，以评估本研究中揭示的TRAP相互作用的机制功能。

图3. 最丰富ER易位子的原子模型

原生OSTA及其相关因素

低温ET结构与增溶OSTA4的低温EM SPA结构非常一致，后者缺少RP N2 N-末端结构域。为了完成原子模型，我们将相应的阿尔法折叠模型拟合到地图的最远端膜部分。然而，SEC61-TRAP-OSTA模型并未解释跨膜螺旋结构 (T1)——大小约为15 kDa包括三个跨膜螺旋和面向胞质溶胶的特征性两亲性螺旋 (图3a)。T1位于STT3a TMH9和TRAPα TMH的C末端之间，导致在SEC61的铰链区附近形成一个充满脂质的空腔。根据OSTA关联和空洞形成，仅在含OSTA的ER 易位子中观察到T1。作用于OSTA上游的葡糖基转移酶或作用于OSTA下游的多利糖基二磷酸酯酶I是T1的候选者，但两个原子模型都不能提供可接受的拟合。因此，我们需要进一步研究以确定T1的分子特征。

结论及展望

总之，冷冻-ET数据的广泛分类可视化了多聚体背景下ER相关翻译和动态募集蛋白生物发生因子的过程 (图4c)。本研究对细胞合成的分泌蛋白群进行了补充生化分析，并为今后研究特定蛋白的生物发生和不同细胞状态和疾病中机制的变化奠定了基础。

图4. 共翻译的ER生物发生因子及综述

原文链接

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05638-5

转自：“生物医学科研之家”微信公众号

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