Cell | 雷鳴組揭示人源核糖核酸酶P的分子機制

2021-01-16 BioArt

撰文 | 小白薯

責編 | 迦   漵


蛋白質是由mRNA經過核糖體翻譯過來的，而這個過程的「原料」——胺基酸——是由轉運RNA（tRNA）攜帶進入核糖體的。所以，tRNA作為生命體中遺傳信息的傳遞者，在這個過程中扮演著非常重要的角色。tRNA首先是以pre-tRNA的形式被轉錄出來，轉錄生成的tRNA前體需要經歷一系列的加工才能最終成熟。其中，pre-tRNA的5』前導序列的切割是由一類必需的核糖核酸酶（RNase）P完成的。


RNase P是一種普遍存在的核酸內切酶，由一種催化RNA和可變數量的蛋白質組分組成，可從pre-tRNA中切割50個前導序列【1,2】。RNase P保守存在於古菌、原核生物和真核生物中，目前已發現的蛋白組分在細菌中有一種，古細菌中五種，真核中有九至十種【3】。人源RNase P是一種大的核糖核蛋白複合物，含有10種蛋白質成分和一條催化性長鏈非編碼RNA。作為少數的且最重要的核酶之一，了解RNase P的底物識別和分子催化機制至關重要。此前的RNase P分子機制研究主要停留在原核和低等真核生物研究水平【4-6】。


繼今年9月份Science 雜誌刊文揭示了酵母RNase P的工作機理後（Science | 雷鳴團隊等首次揭示真核生物tRNA前體5』端加工成熟機制）【6】，上海交大附屬九院雷鳴團隊於北京時間10月26日在Cell雜誌發表了題為Cryo-EM Structure of the Human Ribonuclease P Holoenzyme的研究論文，第一次揭示了高解析度的人源RNase P 的複合物結構，對tRNA底物識別和加工的分子機制提供了新的見解。



在該工作中，雷鳴團隊成功從Expi293F細胞中提取出人源RNase P複合物，並利用冷凍電鏡單顆粒重構技術（Cryo-EM），解析了人源RNase P單獨和與底物tRNAVal結合複合物的近原子解析度結構（分別為3.9和 3.7 Å，圖1）。人源RNase P通過protein-RNA和RNA-RNA相互作用使用「雙錨定」（double anchor）的機制來識別底物tRNA。通過apo和tRNA結合複合物的結構比較，揭示了tRNA的結合誘導了酶催化中心一個大的構象變化，使該酶從失活轉化到活性狀態的分子機制。


圖1. 人源RNase P分子模型


更為重要的是，該研究結果提供了一個進化模型—通過從原核到古菌的比較，在從古菌到真核生物RNase P的比較，系統的闡述了RNase P經歷的進化過程（圖2），描述了細菌RNase P中的輔助RNA元件是如何逐步退化，被高等生物中更複雜和多功能的蛋白質成分所取代的分子模型。這對於核酶的底物結合和催化作用機制至關重要，是核酶和RNA結構生物學的又一突破。


圖2. 原核、古菌和真核RNase P複合物進化模型


上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院精準醫學研究院武健研究員，雷鳴課題組牛雙雙碩士及譚明博士為文章的共同第一作者；精準醫學研究院雷鳴研究員與蘭鵬飛助理研究員為該論文的通訊作者。


1. Guerrier-Takada, C., Gardiner, K., Marsh, T., Pace, N. & Altman, S. The RNA moiety of ribonuclease P is the catalytic subunit of the enzyme. Cell 35, 849-857 (1983).

2. Altman, S. & Kirsebom, L. Ribonuclease P. COLD SPRING HARBOR MONOGRAPH SERIES 37, 351-380 (1999).

3. Esakova, O. & Krasilnikov, A. S. Of proteins and RNA: the RNase P/MRP family. Rna (2010).

4. Reiter, N. J. et al. Structure of a bacterial ribonuclease P holoenzyme in complex with tRNA. Nature 468, 784 (2010).

5. Hipp, K., Galani, K., Batisse, C., Prinz, S. & Böttcher, B. Modular architecture of eukaryotic RNase P and RNase MRP revealed by electron microscopy. Nucleic acids research 40, 3275-3288 (2011).

6. Lan, P. et al. Structural insight into precursor tRNA processing by yeast ribonuclease P. Science, eaat6678 (2018).


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