高寧研究組揭示新的蛋白翻譯調(diào)控機制
清華新聞網(wǎng)12月7日電 近日，清華大學生命科學學院高寧課題組和合作者在《自然》（Nature）期刊在線發(fā)表題為 “ArfA、RF2介導的翻譯終止機制” （Mechanistic insights into the alternative translation termination by ArfA and RF2）的研究論文，報道了細菌中在核糖體上形成的、結(jié)合有缺陷信使RNA（mRNA）的翻譯終止狀態(tài)復合物的高分辨冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，并揭示了一類保守的小蛋白ArfA（alternative ribosome rescue factor A，另類核糖體挽救因子A）在缺陷mRNA翻譯終止過程中的作用機制。
另類核糖體挽救因子A 在核糖體上的結(jié)合位點。
核糖體上的蛋白翻譯是一個非常復雜的過程，包括翻譯起始、延伸和終止等多步嚴密調(diào)控的步驟。在細菌中，當?shù)鞍追g進行到mRNA上的終止密碼子（stop codon）時，翻譯終止因子RF1或RF2可以直接識別終止密碼子，結(jié)合到核糖體上的活性中心，催化釋放共價偶聯(lián)在肽酰tRNA 3’末端上的新生肽鏈。在細胞中，轉(zhuǎn)錄提前終止、mRNA錯誤加工、藥物或者物理損傷等因素會導致細胞中產(chǎn)生缺少終止密碼子的mRNA，這類有缺陷的mRNA被稱為non-stop mRNA。當核糖體移動到non-stop mRNA的3’末端時，由于缺少終止密碼子對RF1/RF2的激活作用，核糖體會停滯在mRNA的3’末端并且不能夠進行正常的翻譯終止。細胞中積累過多停滯的核糖體會產(chǎn)生毒性，真核生物和原核生物都進化出了相應的質(zhì)量控制體系來回收這些核糖體。在細菌中，一類針對non-stop mRNA的挽救系統(tǒng)依賴于一種小蛋白ArfA。現(xiàn)有的少量遺傳和生化數(shù)據(jù)表明，當核糖體停滯在non-stop mRNA的3’末端時，另類核糖體挽救因子A 結(jié)合到核糖體上的解碼活性中心，招募并激活RF2的肽酰水解活性，從而釋放新生肽鏈。然而，眾多機制相關的問題尚不清楚。例如，另類核糖體挽救因子A 是如何激活RF2的水解功能？是如何區(qū)分不同長度mRNA結(jié)合的核糖體？
高寧課題組在體外組裝了ArfA/RF2、non-stop mRNA、tRNA（轉(zhuǎn)移tRNA）與核糖體的復合物，并獲得了該復合物的高分辨冷凍電鏡結(jié)構(gòu)（3埃分辨率，核心區(qū)域接近2.6埃）。結(jié)構(gòu)表明，另類核糖體挽救因子A其在C端的序列結(jié)合于核糖體小亞基上的mRNA入口通道，并占據(jù)了終止密碼子的部分結(jié)合位點，而N端則直接與小亞基解碼中心及RF2相互作用。進一步的分析表明另類核糖體挽救因子A 扮演了兩個重要的角色：其N端作為mRNA長度的感受器（Sensor），如果核糖體尚未行進到mRNA的3’末端，mRNA入口通道內(nèi)的核苷酸會阻礙另類核糖體挽救因子A 的結(jié)合；其C端則通過和RF2直接結(jié)合，從功能上補償了終止密碼子對RF2的激活效應。
這項研究展示了自然界的一種奇妙的功能模擬機制：具有極大結(jié)構(gòu)柔性的小蛋白可以通過結(jié)構(gòu)模擬來取代mRNA上的三堿基終止密碼子的功能。值得一提的是，在這項工作發(fā)表的同一天，《自然》（Nature）和《科學》（Science）同時在線發(fā)表了分別來自德國慕尼黑大學威爾遜（Wilson）課題組和英國醫(yī)學研究理事會分子生物學實驗室（MRC-LMB）拉馬克里西南（Ramakrishnan，2009諾貝化學獎獲得者）課題組的相似的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)工作。
高寧研究組的博士生馬成英和日本弘前大學（Hirosaki University）的栗田大輔（Daisuke Kurita）博士為該論文的共同第一作者。高寧和姬野俵太（Hyouta Himeno）教授為共同通訊作者。高寧研究組成員李寧寧博士和博士生陳燕也參與了本課題的研究。電鏡平臺主管雷建林博士在數(shù)據(jù)收集方面給予了大量的幫助。冷凍電鏡數(shù)據(jù)采集得到了國家蛋白質(zhì)科學設施（北京）的清華大學冷凍電鏡平臺支持，數(shù)據(jù)處理得到國家蛋白質(zhì)科學設施（北京）清華大學高性能計算平臺的支持。部分計算處理也得到了了北京大學生命聯(lián)合中心高性能計算平臺的支持。本工作獲得北京市結(jié)構(gòu)生物學高精尖創(chuàng)新中心、教育部蛋白質(zhì)科學重點實驗室、科技部重大科學研究計劃專項、國家自然科學基金委等的經(jīng)費支持。
論文鏈接：http://www.nature.com/nature/journal/vaap/ncurrent/full/nature20822.html
供稿：生命學院 編輯：襄樺 華山
