Science:揭示Ccr4-Not複合物監測翻譯中核糖體的密碼子最優性

2020-12-05 生物谷

2020年4月21日訊/

生物谷

BIOON/---受到嚴密控制的基因表達過程需要信使RNA（mRNA），mRNA代表著來自DNA的多肽藍圖，需要細胞的蛋白生產機器--核糖體---來翻譯。因此，蛋白水平在很大程度上取決於細胞mRNA的水平，而控制mRNA的衰減是決定基因表達整體水平的最關鍵過程之一。mRNA的半衰期在不同轉錄本之間差異很大，對mRNA衰減率（mRNA decay rate）的調控與mRNA翻譯的延伸階段密切相關。

為此，在多種真核生物中，密碼子最優性（codon optimality）已被確立為決定mRNA半衰期的關鍵參數。此外，人們已經確定了富含非最優密碼子的短壽命mRNA的及時衰減需要Ccr4-Not複合物。Ccr4-Not是一種重要的蛋白複合物，它在mRNA降解中的作用已得到很好的研究。在mRNA降解中，它作為主要的細胞質3′-poly(A)-尾巴去腺苷酶（deadenylase），啟動了大多數mRNA的降解。

Ccr4-Not複合物通過去腺苷化和隨後激活RNA脫帽複合物，使得mRNA能夠被主要的核酸外切酶（比如位於5′端的Xrn1和位於3′端的外切體）接觸到。Ccr4-Not複合物對密碼子的優化監測並對mRNA衰減進行協調的分子機制至今仍不明確。

由於非最優密碼子會影響核糖體的解碼動力學，而mRNA降解主要是通過共翻譯的方式進行的，因此，在核糖體上直接監測密碼子最優性是非常有可能的。此外，先前已經提出了參與其中的Ccr4-Not複合物與核糖體之間存在直接的物理聯繫，這種複合物的Not4亞基是一種E3連接酶，可對

酵母

40S核糖體亞基中的eS7蛋白進行泛素化修飾。

為此，在一項新的研究中，來自德國慕尼黑大學、日本東北大學和美國凱斯西儲大學的研究人員通過結合低溫電鏡（cryo-EM）、核糖體分析（ribosome profiling）和生物化學分析來深入了解在mRNA穩態的背景下Ccr4-Not複合物和翻譯複合物之間的聯繫。相關研究結果發表在2020年4月17日的Science期刊上，論文標題為「The Ccr4-Not complex monitors the translating ribosome for codon optimality」。

圖片來自Science, 17 Apr 2020, doi:10.1126/science.aay6912。

這些研究人員利用親和純化的釀酒

酵母

Ccr4-Not-核糖體複合物進行低溫電鏡分析，發現Ccr4-Not通過Not5亞基被招募到核糖體上。Not5的N末端---特別是一個三α-螺旋束---與核糖體的E位點特異性地相互作用，移除Not5的N末端導致Ccr4-Not複合物不能與核糖體穩定結合。然而，通過Not4亞基對核糖體小亞基蛋白eS7進行泛素化仍然發生。這種Not5相互作用除了涉及轉移RNA（tRNA）和核糖體RNA（rRNA）之外，還涉及核糖體小亞基蛋白eS25。

他們發現，Ccr4-Not與起始階段的核糖體和延伸階段的核糖體都有相互作用。不論是在起始階段還是延伸階段，Not5隻有在核糖體採用了一種在它的A位點不容納tRNA的獨特構象時才與核糖體的E位點結合，這表明核糖體的解碼動力學受到破壞。

核糖體分析顯示在Ccr4-Not結合的延伸階段核糖體中，低優化密碼子富集在核糖體的A位點。這一觀察結果解釋了用低溫電鏡觀察到的低A位點tRNA佔用率，並提出了這與密碼子最優性監測存在關聯。與此相一致的是，通過進行mRNA穩定性測定，他們發現，Not5的丟失導致mRNA降解複合物無法感知到密碼子最優性。觀察到的mRNA半衰期失調是在Not5缺失、Not5 N端缺失、eS25缺失和Not4無法對eS7進行泛素化後檢測到的，這顯然是Ccr4-Not在核糖體上進一步發揮活性的上遊先決條件。此外，在這些突變體中發現mRNA脫帽功能受損，這證實了在這一途徑中，Ccr4-Not觸發了密碼子最優性監測下遊的mRNA脫帽。

這項研究闡明了mRNA衰減介導的Ccr4-Not複合物與核糖體之間的直接物理聯繫。依賴於Not4亞基之前對eS7進行的泛素化，當因較慢的解碼動力學使得核糖體A位點缺乏tRNA時，Ccr4-Not複合物（通過Not5亞基）特異性地結合到核糖體E位點。核糖體的這種狀態是在它的A位點中存在非最優密碼子的情況下發生的，這就解釋了富含非最優密碼子的轉錄本半衰期較短的原因。因此，這些研究結果提供了關於Ccr4-Not複合物協調翻譯效率與mRNA穩定性的機制上的新見解。（生物谷 Bioon.com）

參考資料：Robert Buschauer et al. The Ccr4-Not complex monitors the translating ribosome for codon optimality. Science, 17 Apr 2020, doi:10.1126/science.aay6912.

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