原核核糖體的組裝和翻譯研究取得新進展

【資料簡介】

北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院高寧教授實驗室該研究工作發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌核糖體大亞基中23S rRNA的U2552位點甲基化修飾的缺失，既會減緩細(xì)胞內(nèi)核糖體50S大亞基的組裝速度，也會降低核糖體翻譯蛋白質(zhì)的效率，揭示了RNA甲基化修飾對核糖體生物合成與翻譯功能調(diào)控的重要意義。

核糖體（Ribosome）是由RNA和數(shù)十種蛋白質(zhì)組裝形成的分子機器，原核生物的核糖體分為50S大亞基和30S小亞基，它們的組裝過程都高度復(fù)雜，為眾多組裝因子所精密調(diào)控。RNA修飾酶是其中一大類重要的組裝因子，它們負(fù)責(zé)修飾核糖體RNA中保守的功能性區(qū)域，對核糖體亞基的組裝和翻譯功能的發(fā)揮有著重要的影響。大腸桿菌50S亞基中的23S rRNA上存在25種RNA修飾，包括13種甲基化修飾，但其準(zhǔn)確的分子功能目前尚不明晰。甲基轉(zhuǎn)移酶RrmJ從細(xì)菌到人類中都高度保守，它催化23S rRNA U2552位點的2'-O-甲基化。RrmJ的缺失會導(dǎo)致細(xì)菌嚴(yán)重的生長缺陷，以及細(xì)胞內(nèi)大亞基組裝中間體的累積。

在本項工作中，該團隊從rrmJ敲除菌株中通過條件優(yōu)化純化出內(nèi)源的核糖體組裝中間體，利用冷凍電鏡技術(shù)解析這些50S亞基不成熟的中間體在不同鎂離子濃度下的三維空間結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)分析顯示，這些中間體都處于晚期組裝階段，與成熟50S大亞基相比，只有L16、L35、L36這三個核糖體蛋白缺失，結(jié)構(gòu)差異則集中在核糖體大亞基的功能中心——肽基轉(zhuǎn)移酶活性中心（PTC，peptidyl transferase center），涉及23S rRNA的H38、H68-71和H89-93。這些結(jié)果表明U2552甲基化的缺失顯著的降低了50S大亞基體內(nèi)組裝的效率，細(xì)胞中積累的不成熟前體的活性中心都尚未構(gòu)象成熟（Fig. 1）。

此外，rrmJ敲除菌株中已經(jīng)完成組裝的50S大亞基的結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)：U2552位點甲基化的缺失導(dǎo)致了臨近區(qū)域G2553堿基的翻轉(zhuǎn)，并使A-loop（50S亞基中負(fù)責(zé)結(jié)合tRNA的重要元件）中其它核糖核苷酸的位置發(fā)生了不同程度的偏移，暗示了這些“成熟”的50S亞基可能也有功能上的缺陷。

基于這一線索，進一步的快速動力學(xué)的體外翻譯實驗表明，rrmJ敲除細(xì)菌成熟的50S亞基在翻譯起始復(fù)合物的形成中只有50%的活性，與30S結(jié)合的速度也只有野生型50S的一半。突變菌的70S核糖體仍然可以行使肽鍵的形成、肽鏈的釋放和核糖體循環(huán)等功能；但在每一輪肽鏈延伸過程中，其tRNA轉(zhuǎn)位速度卻都比野生型慢20% (Fig. 2)。這種層級性累積的減速將使蛋白質(zhì)整體性的合成速度大大減緩。

綜上所述，核糖體大亞基23S rRNA上U2552位點的甲基化修飾對核糖體的生物生成的效率和蛋白質(zhì)翻譯速度都有重要的影響，這一發(fā)現(xiàn)有助于深化理解RNA修飾在核糖體調(diào)控中的功能及其分子機制