研究發現核糖體碰撞廣泛存在並可促進新生肽鏈的共翻譯摺疊

2021-01-15 中國科學院
研究發現核糖體碰撞廣泛存在並可促進新生肽鏈的共翻譯摺疊

2021-01-11 遺傳與發育生物學研究所

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　　翻譯是核糖體讀取mRNA上承載的遺傳信息並轉譯為胺基酸序列的有序過程。mRNA序列除了包含胺基酸序列的信息，還可能攜帶調控翻譯延伸速率的信息。但相比於從密碼子到胺基酸的明確對應關係，學界關於翻譯延伸速率的調控信息知之甚少。新興的ribo-seq技術通過RNA酶降解無核糖體「保護」的mRNA片段，並對單核糖體保護的mRNA片段進行高通量測序，可實現對某一時刻細胞內單核糖體位置信息的檢測。然而，當mRNA上存在核糖體的停滯時，停滯的核糖體可能被上遊核糖體追趕並發生「碰撞」，形成串聯雙核糖體（disome）。儘管這種串聯的雙核糖體結構蘊含翻譯延伸暫停的關鍵信號，但由於空間位阻不能被RNA酶切割為單核糖體，這些核糖體的位置信息不能被傳統的ribo-seq方法檢測到，因此，在過去一段時間的研究中被忽視。

　　中國科學院遺傳與發育生物學研究所研究員錢文峰課題組通過對串聯雙核糖體保護的mRNA片段進行高通量測序（disome-seq），檢測到核糖體在釀酒酵母細胞中存在廣泛的碰撞，並鑑定了一系列促進翻譯延伸暫停的mRNA序列特徵：位於核糖體A位點的終止密碼子；位於核糖體P位點的脯氨酸、甘氨酸、天冬醯胺和半胱氨酸；位於核糖體的肽鏈輸出通道內的串聯賴氨酸。曾有研究報導指出，由外源強延伸暫停信號誘導產生的串聯雙核糖體會引發「核糖體相關蛋白質量控制」介導的降解途徑。為了研究內源mRNA上自然發生的串聯雙核糖體的生物學效應，北京大學研究員高寧研究組通過冷凍電子顯微鏡實驗，發現內源和外源信號引發的串聯雙核糖體的結構之間存在重要差異，不能成為核糖體相關蛋白質量控制途徑的底物，這暗示了內源串聯雙核糖體具有其他生物學效應。進一步研究發現，核糖體碰撞傾向於出現在蛋白α-螺旋結構域的間區，該區域的翻譯延伸暫停可為上遊新生肽鏈的共翻譯摺疊提供充足的時間而免受其下遊肽鏈的摺疊幹擾；與單核糖體相比，串聯雙核糖體結合更多的分子伴侶蛋白，表明由串聯雙核糖體反映出的翻譯延伸暫停可促進新生肽鏈的共翻譯摺疊。該研究補充繪製了翻譯譜圖中缺失的「核糖體碰撞」部分，為深入解析mRNA序列攜帶的翻譯延伸速率的調控信息提供了基因組學線索。

　　近期，相關研究成果在線發表在Genome Biology上。錢文峰組博士肇濤瀾、博士研究生陳燕鳴和高寧組博士李餘為論文的共同第一作者；肇濤瀾、高寧、錢文峰為論文的共同通訊作者。研究工作得到科技部、國家自然科學基金委、中科院青年創新促進會、植物基因組學國家重點實驗室的資助。

同一mRNA上正在翻譯的多個核糖體之間會發生碰撞，並可促進新生肽鏈的共翻譯摺疊


　　翻譯是核糖體讀取mRNA上承載的遺傳信息並轉譯為胺基酸序列的有序過程。mRNA序列除了包含胺基酸序列的信息，還可能攜帶調控翻譯延伸速率的信息。但相比於從密碼子到胺基酸的明確對應關係，學界關於翻譯延伸速率的調控信息知之甚少。新興的ribo-seq技術通過RNA酶降解無核糖體「保護」的mRNA片段，並對單核糖體保護的mRNA片段進行高通量測序，可實現對某一時刻細胞內單核糖體位置信息的檢測。然而，當mRNA上存在核糖體的停滯時，停滯的核糖體可能被上遊核糖體追趕並發生「碰撞」，形成串聯雙核糖體（disome）。儘管這種串聯的雙核糖體結構蘊含翻譯延伸暫停的關鍵信號，但由於空間位阻不能被RNA酶切割為單核糖體，這些核糖體的位置信息不能被傳統的ribo-seq方法檢測到，因此，在過去一段時間的研究中被忽視。
　　中國科學院遺傳與發育生物學研究所研究員錢文峰課題組通過對串聯雙核糖體保護的mRNA片段進行高通量測序（disome-seq），檢測到核糖體在釀酒酵母細胞中存在廣泛的碰撞，並鑑定了一系列促進翻譯延伸暫停的mRNA序列特徵：位於核糖體A位點的終止密碼子；位於核糖體P位點的脯氨酸、甘氨酸、天冬醯胺和半胱氨酸；位於核糖體的肽鏈輸出通道內的串聯賴氨酸。曾有研究報導指出，由外源強延伸暫停信號誘導產生的串聯雙核糖體會引發「核糖體相關蛋白質量控制」介導的降解途徑。為了研究內源mRNA上自然發生的串聯雙核糖體的生物學效應，北京大學研究員高寧研究組通過冷凍電子顯微鏡實驗，發現內源和外源信號引發的串聯雙核糖體的結構之間存在重要差異，不能成為核糖體相關蛋白質量控制途徑的底物，這暗示了內源串聯雙核糖體具有其他生物學效應。進一步研究發現，核糖體碰撞傾向於出現在蛋白α-螺旋結構域的間區，該區域的翻譯延伸暫停可為上遊新生肽鏈的共翻譯摺疊提供充足的時間而免受其下遊肽鏈的摺疊幹擾；與單核糖體相比，串聯雙核糖體結合更多的分子伴侶蛋白，表明由串聯雙核糖體反映出的翻譯延伸暫停可促進新生肽鏈的共翻譯摺疊。該研究補充繪製了翻譯譜圖中缺失的「核糖體碰撞」部分，為深入解析mRNA序列攜帶的翻譯延伸速率的調控信息提供了基因組學線索。
　　近期，相關研究成果在線發表在Genome Biology上。錢文峰組博士肇濤瀾、博士研究生陳燕鳴和高寧組博士李餘為論文的共同第一作者；肇濤瀾、高寧、錢文峰為論文的共同通訊作者。研究工作得到科技部、國家自然科學基金委、中科院青年創新促進會、植物基因組學國家重點實驗室的資助。
　　同一mRNA上正在翻譯的多個核糖體之間會發生碰撞，並可促進新生肽鏈的共翻譯摺疊
　　

列印 責任編輯：張芳丹

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    該研究工作發現，細菌核糖體大亞基中23S rRNA的U2552位點甲基化修飾的缺失，既會減緩細胞內核糖體50S大亞基的組裝速度，也會降低核糖體翻譯蛋白質的效率，揭示了RNA甲基化修飾對核糖體生物合成與翻譯功能調控的重要意義。
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