mRNA的時空定位是mRNA轉錄後調控的重要步驟之一,在生殖細胞發育以及身體非對稱性的形成中發揮著重要作用。一個典型的例子是oskarmRNA的定位與翻譯的位置決定了果蠅生殖質組裝的位置。
oskarmRNA在滋養細胞中轉錄,並通過微管等細胞骨架運輸到卵母細胞的後極。新轉錄的mRNA通常不翻譯成蛋白質,原因之一是其3』-UTR部位會結合抑制因子形成無活性的RNP,只有輸運到卵母細胞的後極通過激活因子的結合才起始翻譯過程。Oskar蛋白在後極合成後,可進一步招募其它蛋白質和RNA,如Vasa, Tudor, Aubergine蛋白以及nanosmRNA等共同完成果蠅生殖質的組裝和腹部發育。若人為地將oskarmRNA 移植到卵母細胞的前極,可誘導生殖細胞在前極產生。
關於Oskar mRNA的功能和定位機制的研究已有較多積累,但有關Oskar蛋白質的性質、及其在果蠅生殖細胞生成中的作用機制還不為人知。中國科學院生物物理研究所許瑞明研究組開展了Oskar蛋白質的結構與功能研究,分別解析了Oskar蛋白的N端(Osk-N)和C端(Osk-C)的晶體結構(圖A, B)。結構分析與生化實驗結果顯示,Osk-C摺疊為一個類似水解酶的結構,但是其預測的活性中心缺乏關鍵的催化殘基,沒有催化活性。更有意思的是,研究發現Osk-C具有體外結合RNA的能力,可結合oskar自身和nanos的mRNA3』-UTR區域(圖C),這是第一次報導含有類似水解酶結構域的蛋白能與核酸結合。進一步又通過定點突變實驗確定了Osk-C表面結合RNA的關鍵部位(圖D)。而預測含有RNA結合結構域的Osk-N雖然摺疊成經典的winged-helix核酸結合結構域,但體外未檢測到其RNA結合活性。
這項工作從結構和功能兩方面揭示了Oskar蛋白質的性質,包括二聚化的N端winged-helix結構域和可與RNA結合的C端類水解酶結構域。同時發現Oskar蛋白通過結合在相關mRNA的3』-UTR區域調節其翻譯和定位的機制。這些發現對理解Oskar在果蠅生殖細胞生成中的功能具有重要意義。
此項研究工作於8月31日在線發表在《美國科學院院報》(Proceedings of the National Academy of Sciences),標題為Structural of Drosophila Oskar reveals a novel RNA binding protein。
本項工作是生物物理所許瑞明研究組與美國紐約大學Skirball研究所Ruth Lehmann課題組合作研究的成果。兩個課題組之前在果蠅生殖細胞發育的另一個重要蛋白Tudor的合作研究中取得了很好的成果(Genes & Dev. 2010; Cell Res. 2014)。
本研究得到了國家自然科學基金委、科技部973計劃以及中科院戰略性先導科技專項(B類)等的資助。文章的第一作者和共通訊作者楊娜研究員獲得了中國科學院青年創新促進會的資助。鬱珍瑜助理研究員和本科生胡夢龍(現在香港大學就讀)是該文的共同第一作者。
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圖例:Osk-N和Osk-C的晶體結構以及Osk-C與相關mRNA的3』-UTR的結合。(A). Osk-N二聚體的結構;(B). Osk-C的結構;(C). Osk-C結合相關mRNA的3』-UTR(D);(D). Osk-C表面與RNA結合的關鍵部位。