Science背靠背 | 程淨東、葉克窮等揭示90S核糖體前體A1位點的切割以及90S向40S轉變的機制

2021-01-21 BioArt

責編 | 兮


真核生物核糖體的組裝是細胞內最重要也是最耗能的過程之一，包含4條rRNA的剪切和摺疊以及80個核糖體蛋白的翻譯、轉運和組裝。除此以外，還有多於200個的組裝因子參與其中。近年發現，核糖體的組裝異常與人類多種疾病密切相關，已經成為多種疾病治療的熱門研究靶點。

 

酵母的核糖體組裝起始於RNA聚合酶I 對35S rRNA的轉錄，依次包含小亞基的18S rRNA和大亞基的5.8S 、25S rRNA。35S rRNA 轉錄的同時，核糖體組裝因子會順序結合在rRNA上，並最先組裝成40S小亞基的前體——90S核糖體前體。伴隨著35S rRNA中位點A1, A2(或者位點A3)的切割，經過一系列組裝因子的作用，40S小亞基的前體從核仁區經過核質區和核孔複合物進入細胞質，並最終成熟為40S小亞基。目前，細胞組裝成A1位點切割前的90S核糖體前體這一過程的冷凍電鏡結構已經被解析【1】，但是A1位點的切割後以及90S核糖體前體如何轉變成pre-40S核糖體仍然未知。

 

圖1，核糖體的組裝示意圖【2】


2020年9月18日，來自慕尼黑大學Roland Beckmann教授課題組的程淨東博士以及海德堡大學Ed Hurt教授課題組的合作者在Science以長文的形式發表了「90S pre-ribosome transformation into the primordial 40S subunit」的文章。



在以往研究的基礎上，作者通過進一步的生化和冷凍電鏡手段解析了7種不同的酵母90S（pre-40S）核糖體前體的結構。其中3種結構處於A1位點切割前，對其結構的分析驗證了作者之前在噬熱毛殼菌中的結論，即18S rRNA中4個亞結構域（5』，central, 3’major, 3’minor）是以反向順序組裝成A1位點切割前的 90S核糖體前體。另外的4種結構都處於A1位點切割後，通過對其結構的分析作者得出以下結論：

1、在90S向40S轉變的過程中， 5』ETS顆粒並不是整體上剝離90S核糖體前體，而是各個組分順序的、逐個剝離，這與以往的研究不同。作者認為在正常生理條件下，5』ETS顆粒是不存在的。

2、伴隨著A1位點的切割，90S核糖體前體發生了劇烈的構象變化。作者認為，新的組裝因子的結合以及舊的組裝因子的解離，再加上18S rRNA中5』和central亞結構域的擠壓靠近使其進一步的摺疊成熟，最終形成18S rRNA helix 1，進而導致A1位點的切割。

3、作者認為RNA解旋酶Dhr1以及含有解旋酶Mtr4的細胞核exosome在整個的90S向40S的轉變過程中起到推動的作用。作者發現Dhr1分別以抑制和激活狀態結合在90S和pre-40S核糖體前體上，因此推斷Dhr1最終會將U3 snoRNA從pre-40S核糖體前體上剝離。

 


該研究第一次解釋了90S核糖體前體A1位點的切割以及90S向40S轉變的機制，與作者之前的研究一起勾勒出幾乎完整的40S核糖體小亞基組裝過程【1,3-5】。


值得一提的是，來自中科院生物物理研究所葉克窮研究組也在同期Science雜誌上發表的題為Cryo-EM structure of 90S small ribosomal subunit precursors in transition states的「背靠背」相關論文，揭示了90S核糖體向40S核糖體轉變的機制。



原文連結：

https://science.sciencemag.org/content/369/6510/1470

 

1. J. Cheng et al., Thermophile 90S Pre-ribosome Structures Reveal the Reverse Order of Co-transcriptional 18S rRNA Subdomain Integration. Molecular cell 75, 1256-1269 e1257 (2019).

2. J. Bassler, E. Hurt, Eukaryotic Ribosome Assembly. Annual review of biochemistry 88, 281-306 (2019).

3. M. Kornprobst et al., Architecture of the 90S Pre-ribosome: A Structural View on the Birth of the Eukaryotic Ribosome. Cell 166, 380-393 (2016).

4. J. Cheng, N. Kellner, O. Berninghausen, E. Hurt, R. Beckmann, 3.2-A-resolution structure of the 90S preribosome before A1 pre-rRNA cleavage. Nature structural & molecular biology 24, 954-964 (2017).

5. M. Ameismeier, J. Cheng, O. Berninghausen, R. Beckmann, Visualizing late states of human 40S ribosomal subunit maturation. Nature,  (2018).

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