科學家揭示神經系統疾病的致病機理

中國科學技術大學生命科學與醫學部教授許超、張凱銘與西班牙分子生物學中心教授Encarna Martínez-Salas合作，利用單顆粒冷凍電鏡技術解析了人源Gemin5基因產物羧基端結構域的三維結構——十聚體，揭示了Gemin5羧基端結合mRNA并調控其翻譯的分子機制。研究結果發現，Gemin5羧基端發生突變導致其十聚體結構破壞，是引發神經系統疾病的重要原因。相關成果9月2日在線發表于《自然-通訊》。

Gemin5 羧基端十聚體冷凍電鏡結構及其調控mRNA翻譯的分子機制示意圖  中國科大供圖

Gemin5最早在運動神經元存活(SMN) 復合體中被發現，是SMN復合物中最大的亞基，其基因缺陷導致神經系統疾病的發生。

許超解釋說，“Gemin5的兩個部分分別通過結合不同類型的RNA來執行不同的生物學功能。前一部分結構與RNA剪切相關，后一部分的結構則與RNA翻譯功能有關。”

2016年，許超課題組揭示了Gemin5氨基端WD40結構域識別小核RNA（snRNA）的機制。“但Gemin5另外一半結構到底是什么樣？它的基因突變又是如何導致神經系統疾病產生，一直都不清楚。”許超說。

此次研究中，課題組人員利用冷凍電鏡技術解析了Gemin5羧基端的三維結構，發現Gemin5羧基端通過疏水作用形成十聚體。許超說，“這種由雙五聚體組成十聚體的結構在RNA結合蛋白質中還屬首次發現。”

研究還發現，Gemin5羧基端十聚體形成對結合mRNA是必需的；G5C十聚體通過帶正點的表面與帶負電的RNA以靜電方式相互作用。

“簡單來說，人體內的Gemin5基因發生突變，如果導致Gemin5十聚體被破壞或者靜電表面不存在了，就不能再結合RNA，這樣就損害了Gemin5調控神經發育的功能，從而導致神經系統疾病的發生。”許超進一步分析說。

此次工作為進一步研究Gemin5缺陷導致神經系統疾病的機理，以及Gemin5獨立于SMN復合物的生物學功能提供了結構基礎。

審稿人認為，“這個結構非常有趣，他們分析了導致疾病發生的基因突變，并且通過突變實驗支持結論。”“整體而言，這個電鏡結構具有很高的質量，這些結果對于RNA領域的研究人員具有重要意義。”