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题目：Sequence determinant of small RNA production by DICER
期刊：Nature
IF：69.504
发表时间：2023年2月22日
通讯作者单位：首尔国立大学
DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-023-05722-4
主要内容：
酶Dicer裂解一种被称为pre-microRNA的RNA，制成成熟的功能性RNA。现在，结构性证据揭示了所涉及的催化机制和一个新发现的被称为GYM的RNA序列的作用。
基因表达可以通过依赖于小RNA的靶向途径而被沉默。Lee等人在《自然》杂志上撰文，对这种RNA成熟的一个关键步骤提供了见解，该步骤是由Dicer酶介导的。
几乎所有的真核生物（细胞中含有细胞核的生物）都有依赖RNA的基因消减途径。其中许多系统是由不成熟的RNA推动的，这些RNA通常是以双链RNA（dsRNA）的形式存在。这种dsRNA是小型调控RNA的起源，包括微RNA（miRNA）和短干扰RNA（siRNA）。在这两种情况下，dsRNA前体被一种特殊的酶所裂解，这种酶的特点是具有所谓的RNase III结构域。
miRNAs是由茎环结构的前体加工而成，也被描述为发夹，它们需要两种RNase III酶的连续作用。在动物中，Drosha酶进行第一次切割，Dicer进行第二次切割。这两种酶都定义了短的双链miRNA中间物的末端，从中选择一条miRNA链并将其纳入蛋白复合物RISC中，其中RNA直接与Argonaute蛋白家族的一个成员结合。
siRNA通常只由一种酶Dicer从长dsRNA的末端处理。然而，这种情况需要Dicer沿着dsRNA移动。因此，Dicer 酶一般可分为所谓的非过程性酶和过程性酶，这取决于它们是否从dsRNA分子中生成一个以上的小RNA。人类Dicer（hDicer）专门用于前miRNAs，因此是非过程性的。尽管来自各种生物的Dicer酶的结构是可用的，但对hDicer的新研究澄清了催化裂解步骤（也被称为 "切割"），并揭示了进化上保守的前miRNA特征，这些特征对有效的RNA处理很重要。
多结构蛋白hDicer（图1）包括两个RNase III结构域、一个螺旋酶结构域、一个dsRNA结合结构域（dsRBD）和一个PAZ结构域，该结构域与平台结构域一起容纳预miRNA发夹的两端。Dicer不仅切割pre-miRNA，而且还发挥 "分子尺 "的作用，基本上测量RNA茎末端与酶的催化中心之间的距离，产生长度为20-23个核苷酸的dsRNA。pre-miRNA的序列高度多样化，但除了发夹结构的常见RNA特征、RNA一侧（其3′端）的2个核苷酸3′悬垂和RNA另一侧（其5′端）的磷酸基团外，以前没有发现可能引导裂解的特定序列或额外的局部结构图案。
为了找到这样的特征，Lee等人的第一项研究使用了一种预miRNA处理方法，其中RNA被设计成随机化预miRNA的上茎序列。然后，作者通过对Dicer裂解后产生的小RNA产物进行测序来测试RNA处理的效率。他们由此发现了一个进化上保守的核苷酸序列，他们称之为GYM。这种核苷酸图案位于裂解部位周围，由成对的鸟嘌呤（G，RNA中发现的四个主要碱基之一）、成对的嘧啶（Y，可以是碱基胞嘧啶和尿嘧啶中的任何一个）和一个不匹配的核苷酸对组成。当这个图案被设计到一个随机的短发夹RNA上时，与缺乏该图案的RNA相比，Dicer对该RNA的处理明显增加。
在他们的第二项研究中，Lee等人使用hDicer和带有GYM图案的前miRNA作为材料，通过低温电子显微镜产生结构数据。令人震惊的是，作者发现了hDicer在切割状态下的复合体，这在迄今为止是没有的。
与切割前状态的结构相比，在切割前状态下，螺旋酶结构域与pre-miRNA环结合，使pre-miRNA远离催化中心，而在切割状态的结构中，螺旋酶结构域是看不到的。这一观察表明，在切割状态下，螺旋酶结构域变得非常灵活（图1）。它可能不再与pre-miRNA结合，使pre-miRNA能够移动到一个适合切割的位置。此外，在这个位置上，Dicer的dsRBD能识别GYM主题，并稳定RNA和Dicer之间的相互作用，以实现更有效的裂解反应。这种分子相互作用解释了GYM主题的进化保护。
尽管有几个来自不同生物体和不同状态的Dicer结构，但关于这个迷人的分子机器仍有许多未知数。首先，最耐人寻味的是，裂解产物在切割后的状态下是如何释放的？一个RISC加载复合物已被推测出来，由Dicer、其伙伴蛋白TRBP和一个Argonaute蛋白组成，该蛋白在裂解后从Dicer手中接过miRNA的处理。这一步骤显然需要裂解产物的主要结构重排和长距离移动。在这样的复合体中，螺旋酶结构域可能变得更加静态，TRBP也可能对结构重排做出贡献。另一个问题是一个正确装载的RISC如何从这个复合物中释放出来。
此外，我们甚至还没有开始了解Dicer的改变（称为翻译后修饰）在这一过程中的作用，如添加磷酸基（磷酸化）。许多这样的修饰已被报道，但它们是否以及如何对切割周期，特别是对Dicer的结构灵活性作出贡献，尚不清楚。
值得注意的是，这两项研究都强调了与癌症相关的突变，这些突变与Dicer中突出的结构位置相对应。例如，编码平台域中容纳预miRNA 5′端的口袋的序列在癌症中经常发生突变。此外，与癌症相关的dsRBD的突变导致Dicer与GYM图案的结合减少。
可以推测，还有更多这样的突变存在，它们不仅可能影响Dicer的裂解，还可能影响后来的切割后步骤。这种突变对细胞生长和癌症发展有什么影响？是否仅仅是由于加工受损而导致全球miRNA水平的降低，或者甚至可能存在特定miRNA加工前的影响？未来的机制和结构工作将为miRNA形成的基本细胞过程及其与疾病的联系提供进一步的功能见解。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05722-4
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