人类mRNA解码在动力学和结构上均不同于细菌

背景

将mRNA转化为蛋白质序列的遗传密码是由两个亚基核糖体 (一个多兆道尔顿RNA蛋白组装体)建立的。大 (LSU)和小 (SSU)核糖体亚基的核心区域在物种中是进化保守的。这种保守反映了对核糖体快速准确地与结构相似但序列多样的氨基酰基tRNA (aa-tRNA)接头分子相互作用的普遍需求。在人类中，新兴疗法针对mRNA解码过程来治疗单基因疾病、病毒感染和癌症。不同物种之间的结构和调控差异也是抗生素疗效的基础。

简介         

2023年4月5日，来自美国圣裘德儿童研究医院的Mikael Holm及其团队在Nature (IF: 69.504)杂志上发表名为mRNA decoding in human is kinetically and structurally distinct from bacteria的研究[1]。

研究亮点

在所有物种中，核糖体通过使用氨酰基- tRNA底物忠实地解码信使RNA (mRNA)核苷酸序列来合成蛋白质。目前关于解码机制的知识主要来源于对细菌系统的研究。尽管其关键特征在进化过程中是保守的，但真核生物实现了比细菌更高的mRNA解码准确性。在人类中，解码能力的变化与衰老和疾病相关，这代表了病毒和癌症治疗的潜在治疗干预点。在这里，我们结合单分子成像和低温电子显微镜方法来研究人类核糖体准确性的分子基础，以揭示其解码机制在动力学和结构上都不同于细菌。虽然两种物种的解码过程在全球范围内类似，但人类核糖体上氨酰基- tRNA运动的反应坐标发生了改变，这一过程慢了一个数量级。这些区别源于人类核糖体中的真核特异性结构元件和延伸因子真核延伸因子1A (eEF1A)，它们共同协调tRNA在每个mRNA密码子上的忠实掺入。核糖体和eEF1A构象变化的不同性质和时间解释了真核生物如何实现和潜在调控解码准确性的提高。

主要结果

人类mRNA解码的实时成像

我们首先将受体标记的 (LD655)与eEF1A和GTP三元配合物中的Phe- tRNAPhe停止流动，传递到具有供体标记的 (Cy3) P位点Met-tRNAfMet的起始配合物 (IC) (图1a)。与先前的研究一致，解码随机和可逆地通过三个可识别的状态进行，具有不同的FRET效率 (图1b，c)。这些发现支持在解码过程中至少存在四种进化上保守且结构上不同的核糖体构象，包括两种由aa-tRNA和P位点tRNA之间的距离区分的三络合物结合的中间体。

图1. smFRET和低温电镜研究mRNA解码过程中的结构动力学

人类解码中心的区别

CR-GA转换中的SSU结构域闭合局部重塑了解码中心，以构建并封闭密码子-反密码子对，并与普遍保守的SSU rRNA“监测”碱基G626、A1824和A1825 (大肠杆菌中的G530、A1492和A1493)结合 (图3a)。与细菌中的类似过程相比，我们观察到IC复合体中A1824和A1825的排列顺序以及CR复合体中G626的定位存在差异，这表明CR的激活屏障发生了改变。

图3. 初始选择期间的结构重塑

靶向mRNA解码的小分子

除了上述的冷冻-EM结构，我们还解决了在GTPγS解码过程中停滞的LSU和GA复合体核糖体结构，以及SR-A3, HHT和CHX。比较这些结构与那些被GTPγS，PLT，ANS和LTM阻滞的结构，使我们能够比较与eEF1A结合的临床相关环肽PLT和SR-A3，并在足够的分辨率下评估CHX, LTM, HHT和ANS的结合位点，以解决溶剂和离子的贡献 (图5)。

PLT和SR-A3在与膜海鞘素B和特拉廷-4相同的疏水性位点上与eEF1A的g -结构域III界面结合，部分是由于连接结构域III中β链5和6与药物的顶端环的塌陷而形成 (图5a, b)。PLT的掩埋表面积大于SR-A3，这与它们的抑制效应相关 (图1d)。对于膜海鞘素B和特拉廷-4, PLT和SR-A3是由分子内氢键支撑的延长褶皱 (图5a, B)。对于这两种药物，只有一小组与eEF1A的非理想氢键被证明。SR-A3在eEF1A上的效力和停留时间的增加，与特拉廷-4仅存在一个羟基部分的差异，表明SR-A3有助于分子内环的稳定，分子间氢键势到附近的eEF1A中的Tyr141或两者兼有。

图5. 核糖体抑制剂的结合位点

结论及展望

我们的研究结果表明，核糖体和eEF1A的构象变化，以及进入的aa-tRNA分子的物理性质，构成了可以调控解码的最关键特征。eEF1A的真核细胞特异的α2螺旋通过与进化上不同的亚基间桥B8元件相互作用而参与解码机制，B8元件在初始选择和校对选择过程中都会发生重塑。值得注意的是，桥接B8元件和eEF1A的α2螺旋都通过翻译后修饰被不同的信号通路所靶向。加上两个核糖体亚基的功能中心都接近转录后修饰，我们推测，在真核生物中，作为解码机制核心的构象变化可能受到调控。这些特征，加上tRNA运动轨迹的改变，为物种特异性和环境特异性的小分子干预策略提供了潜在的机会。与校对选择相关的A和E位点之间的变构连接可能进一步使哺乳动物细胞能够评估和调控主动翻译核糖体的状态。单体和多体内的这类构象信息可能向对蛋白质合成调控至关重要的细胞环境的其他成分提供信号。

原文链接

https://www.nature.com/articles/s41586-023-05908-w

转自：“生物医学科研之家”微信公众号

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