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  • 發布時間:2023-04-11 10:27 原文鏈接: MolCell:施一公團隊解析人類pretRNA剪接機制

    長久以來,剪接體的調控機理是怎樣的,它們在細胞內部的動態組合和變化是怎樣的,深深地吸引著科學家們的研究興趣,但其神秘的面紗一直未被揭開。

    2023年4月6日,西湖大學施一公團隊在 Molecular Cell 期刊發表了題為:Structural basis of pre-tRNA intron removal by human tRNA splicing endonuclease 的研究論文。

    該研究首次解析了人類tRNA剪接內切核酸酶(TSEN)在催化前和催化后狀態下與全長tRNA前體(pre-tRNA)結合的低溫電子顯微鏡結構,顯示了TSEN如何識別pre-tRNA,并將3'剪接位點和5'剪接位點定位到其切割位點,綜合利用結構生物學和生化工作解釋了人類TSEN去除pre-tRNA內含子的分子機制。

    轉運RNA(tRNA)對生物遺傳信息的傳遞至關重要,它通過核糖體將mRNA翻譯成蛋白質。成熟的tRNAs由前體tRNAs(pre-tRNAs)通過一系列的轉錄后加工和修飾步驟產生,從pre-tRNA中去除內含子對于生物遺傳進化是必不可少的。

    在人類中,去除pre-tRNA中內含子的過程是由tRNA剪接內切核酸酶(TSEN)介導的,該亞酶包括四個亞基:TSEN2、TSEN15、TSEN34 和 TSEN54。值得一提的是,盡管多核苷酸激酶CLP1在體外對前tRNA切割是可有可無的,但CLP1中的突變和所有TSEN亞基都與tRNA代謝和神經病理學的改變有關。

    為回答pre-tRNA是如何被TSEN識別的,以及5'剪接位點和3'剪接位點是如何被加載到TSEN2/TSEN34的活性位點這兩個困擾科研界多年的謎題,該研究通過純化人TSEN/CLP1復合物、pre-tRNA切割試驗、TSEN/CLP1/前pre-tRNA復合體的組裝、冷凍電鏡樣品制備和數據采集以及競爭性結合測定生化實驗,對其進行深入探索。

    本研究首次報道了兩種人類TSEN與全長pre-tRNA結合、高分辨率低溫電子顯微鏡結構:一種在催化前狀態,另一種在催化后狀態,平均分辨率分別高達2.94?和2.88?。

    研究結果顯示人類TSEN的結構特征是一個延伸的表面凹槽,容納了l形的pre-tRNA,pre-tRNA的成熟結構域被TSEN34、TSEN54和TSEN2的保守結構元件所識別,這種識別定位了pre-tRNA的反密碼子莖。

    令人驚喜的是,5'剪接位點和3'剪接位點周圍的核苷酸主要被TSEN2和TSEN34識別,這些相互作用可以確保5'剪接位點和3'剪接位點分別精確地放置在TSEN2和TSEN34的催化中心中。

    此外,為了捕獲預催化狀態,研究人員在TSEN中引入了兩個錯義突變:TSEN34中的H255A和TSNE2中的H377A,進而研究其結構信息以及結構引導的生化分析,為成功解析人類TSEN前tRNA識別和切割的機制提供了基礎。

    考慮到pre-tRNA和tRNA結構的相似性,TSEN延伸的擴展表面凹槽也應該識別tRNA。為證實該分析,tRNAARG-UCU與TSEN/CLP1形成了一個穩定的復合物。與tRNA相比,pre-tRNA可以被TSEN識別,其更具體的相互作用指向其獨特的BHL基序。

    上述結果充分地解釋了為什么大部分的內含子序列與TSEN沒有直接的相互作用,而不同內含子的pre-tRNA可以被容納和裂解,解析了人類TSEN去除pre-tRNA內含子的分子機制。

    值得一提的是,施一公及張曉峰團隊于兩個月前發表的研究論文:Mechanisms of the RNA helicases DDX42 and DDX46 in human U2 snRNP assembly,揭秘三種RNA解旋酶作用機制——人U2 snRNP組裝中RNA解旋酶DDX42和DDX46的作用機制,為癌癥突變機制提供新見解。

    施一公院士團隊是世界上首個、也是唯一一個成功捕獲并解析了RNA剪接過程中所有完全組裝剪接體高分辨率三維結構系列成果的團隊。從組裝到被激活,從兩步轉酯反應發生到剪接體的解聚,各種各樣狀態的剪接體完整覆蓋了剪接通路,首次將剪接體介導的RNA剪接過程完整地串聯起來,為理解RNA剪接的分子機理提供了最清晰、最全面的結構信息,成功獲取剪接體這顆分子生物學皇冠上的明珠。

    圖 5:剪接體結構匯總(來源:https://ygshi.org/research)

    目前,施一公團隊克服技術障礙,深入探索生命細節,獲得人類TSEN/CLP1/pretRNA復合物在催化前和催化后狀態下的結構,為理解pre-tRNA剪接的機制提供了一個全新的框架。如此振奮人心的研究結果令人看到了科學家們孜孜不倦的努力,從基礎科學的研究到臨床應用,再到治療疾病,未來可期。

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