特異性結合黃嘌呤的天然核開關NMT1motif的晶體結構

　　2021年6月14日，浙江大學生命科學研究院任艾明課題組與奧地利因斯布魯克大學Ronald Micura課題組合作在Nucleic Acids Research雜志上發表題為“Insights into xanthine riboswitch structure and metal ion-mediated ligand recognition”的研究論文，報道了特異性結合黃嘌呤的天然核開關NMT1 motif的晶體結構，揭示了由金屬離子介導的黃嘌呤核開關對配體識別的原理。

　　核開關（Riboswitch）是一類位于mRNA 5’端非編碼區域的不依賴于蛋白可直接調控基因表達的RNA元件，可以形成特定的三維空間結構。這類RNA元件含有兩個不同功能的結構域，適配體模塊（aptamer domain）可以特異性地識別小分子配體，并發生構象改變，從而誘導位于下游的基因表達調控模塊（expression platform）的構象也隨之發生改變，進而在轉錄或翻譯水平上促進或者抑制相關蛋白的表達。目前已經發現和報道的核開關有四十余種，其可識別的小分子涵蓋氨基酸，陰離子，金屬離子，輔酶因子及其衍生物，嘌呤核苷酸及其衍生物等。

　　嘌呤及其衍生物是細胞內最為豐富的一類代謝物，廣泛地存在于生命體中并發揮重要的生理作用，也因此嘌呤的代謝在細胞內受到嚴格的調控，代謝失調會導致嚴重的細胞紊亂。黃嘌呤是嘌呤降解代謝過程中的氧化產物，可在黃嘌呤氧化酶的作用下進一步氧化產生尿酸，廣泛存在于人體及其他生物體內。2020年，耶魯大學的Ronald Breaker課題組在變形桿菌中鑒定出一類新型RNA 結構模塊（motif）NMT1，隨后發現NMT1能夠以微摩爾級別親和力與黃嘌呤結合，因此將其稱為黃嘌呤核開關。二級結構研究表明黃嘌呤核開關主要含有兩個莖區P1和P2，它們由一個大的Junction（J1）連接；其中莖區P2又被中間含有的一個小Junction（J2）分為P2a，P2b兩個小莖區。進一步分析顯示，黃嘌呤核開關中位于連接處的核苷酸序列高度保守。

　　為了闡明黃嘌呤核開關識別其配體的原理以及其對嘌呤代謝通路的調控作用，任艾明課題組利用X-射線晶體學的方法，解析了來自Ideonella sp. B508-1中的黃嘌呤核開關與黃嘌呤的復合物結構。復合物的三維結構顯示，黃嘌呤核開關RNA整體折疊為一個緊湊的長桿狀I形構象，莖區P1，P2a，P2b在三維空間中連續堆積形成長的螺旋軸。兩個Junction（J1，J2）通過G35和C11之間的Watson-Crick配對形成遠程相互作用，穩定了黃嘌呤核開關的整體結構。配體結合口袋處于莖區P1和P2a之間的連接區，其中黃嘌呤與G10和U40作用形成一個三堿基層，該三堿基層被進一步夾在兩個三堿基對A39-G35-C11和A6-U41-A9之間，成為長螺旋軸的重要組成部分。

　　本項研究通過解析黃嘌呤核開關的三維空間結構以及相關的生物化學和動力學研究，揭示了黃嘌呤核開關對配體高特異性識別的分子基礎，闡明了細菌通過RNA分子調控嘌呤代謝的作用機制。同時，新的RNA結構也進一步豐富了RNA分子的結構數據庫。黃嘌呤作為一種重要的生物堿和嘌呤代謝的中間產物，可衍生出多種黃嘌呤類藥物，這些與痛風等疾病息息相關，關于黃嘌呤核開關RNA的高級結構的研究為發展抗生素、生物傳感器等提供必要的結構基礎。

　　該研究工作獲得了國家自然科學基金（32022039, 31870810, 91940302, 91640104, 31670826），浙江省杰出青年基金（LR19C050003）以及浙江大學中央高校基金科研項目業務費（2017QN81010）等項目的資助。浙江大學生命科學研究院博士生許笑晨和陳豪同學為本文的共同第一作者。