近日，北京大學生命科學學院高寧研究組在Nature Communications雜誌在線發表題為「Structural snapshots of human pre-60S ribosomal particles before and after nuclear export」的研究論文，報導了人源核糖體大亞基組裝前體在出核前後時期的4個中間態複合物結構 (Liang et al., 2020)。
核糖體的生物生成是一個非常複雜及高度耗能的分子過程，在真核細胞中超過300個因子（包括蛋白質和snoRNA）參與核糖體亞基的生物生成。它們參與了rRNA的轉錄、加工、修飾及摺疊，80種核糖體蛋白的修飾及組裝，以及核糖體前體顆粒的構象成熟及跨核膜轉運等一系列過程。臨床研究發現人源的核糖體組裝因子或核糖體蛋白發生突變與一類罕見的遺傳發育疾病（統稱為Ribosomopathy）有直接關係，病人具有不盡相同的臨床表型，但都展現出典型的幼兒發育障礙及較高的血液癌症的罹患率 (Narla and Ebert, 2010)。除此之外，核糖體生物生成的異常高調活性也是很多類型癌症細胞的一個重要特徵 (Penzo et al., 2019)，例如今年5月的一篇研究工作發現循環腫瘤細胞中具有顯著高核糖體生成活性的細胞亞群，並且與腫瘤的轉移和侵染能力正相關 (Ebright et al., 2020)。
近年來隨著冷凍電鏡技術的發展，核糖體組裝的研究獲得了巨大的突破，酵母的大小亞基在不同細胞空間（核仁、核質、細胞質）以及不同組裝階段的前體複合物高分辨結構得到了解析，數目眾多的組裝因子的分子功能獲得了一定程度的解釋。相比之下，人源核糖體的組裝研究滯後很多，大量的組裝因子信息僅限於基於酵母同源蛋白的功能注釋，少量組裝因子的表達調控在腫瘤研究的框架下得到了初步的表徵。真核細胞的核糖體組裝被認為是一個非常保守的分子過程，但是人源細胞的核糖體生成因子的數量和種類與酵母都具有一定程度的差別，尚不清楚在何種程度上、哪些組裝步驟兩者具有顯著的不同。目前人源小亞基的細胞質內前體的結構已經得到了解析(Ameismeier et al., 2018)，但人源大亞基前體的結構信息還未見報導。
本研究以人源大亞基的出核轉運接頭蛋白NMD3為誘餌，通過在其C端加入親和標籤純化出了一系列出核前後的大亞基組裝前體內源複合物，並通過冷凍電鏡解析了四個不同前體複合物的高解析度結構。在這四個結構中發現了十餘個人源組裝因子，包括NMD3，GTPBP4，LSG1、EIF6，MRTO4，ZNF622，ZNF593，LLPH，RLP24，GNL2，TMA16，PA2G4及一個未知蛋白protein X，為進一步研究這些因子準確的分子功能和機制提供了結構基礎。例如，TMA16是一個保守的蛋白，但並未在之前發表的酵母大亞基前體複合物中發現，表明核糖體組裝過程中蛋白因子的結合時可能受到精密的調控。再如，PA2G4（Ebp1）具有不同的剪切形式，是一個多功能的蛋白因子。以往研究表明PA2G4在幾種腫瘤的發生發展中參與了ERBB3調控的信號通路。本項研究和德國Spahn組尚未正式發表的PA2G4結合翻譯過程中的80S核糖體的研究工作 (Kraushar et al., 2020)則表明此因子至少在核糖體的組裝和蛋白質的翻譯中都具有明確的分子功能，暗示之前的工作有可能並不是直接效應。
結構分析表明出核前後大亞基前體主要結構變化位於兩個重要的功能中心（肽醯轉移酶中心以及新生肽鏈通道），其中NMD3和GTPBP4-NTD主要參與了肽醯轉移酶中心的大尺度rRNA構象變換；GTPBP4與ZN622的C端則影響了肽鏈出口通道的細微構象成熟。總之，這項工作展示了核糖體大亞基成熟過程中其功能中心的連續構象變化，以及順序結合的組裝因子可能的分子機制。此項工作整體結論表明人源核糖體大亞基在出核前後的結構和機制都與釀酒酵母高度相似，某些人源組裝因子具有一些種屬特異性的結構特徵，暗示酵母和人源細胞的核糖體生物生成的差異更多的集中於細胞核內的早中期。本研究作為目前人源核糖體大亞基前體的唯一結構工作，為進一步研究高等真核細胞的核糖體組裝以及相關疾病提供了重要的結構基礎。
圖一、四個人源核糖體大亞基前體複合物結構
北京大學生命科學學院高寧教授是本文的通訊作者，高寧實驗室2015級博士研究生梁笑濛為本文第一作者。交聯質譜相關實驗由北京生命科學研究所董夢秋研究員和博士生左美晴完成。本項工作受到國家自然科學基金委員會和科技部的項目資助，以及北京大學冷凍電鏡平臺、高性能計算中心、生科院儀器中心、膜生物學國家重點實驗室的支持。
參考文獻：
Ameismeier, M., Cheng, J., Berninghausen, O., and Beckmann, R. (2018). Visualizing late states of human 40S ribosomal subunit maturation. Nature 558, 249-253.
Ebright, R.Y., Lee, S., Wittner, B.S., Niederhoffer, K.L., Nicholson, B.T., Bardia, A., Truesdell, S., Wiley, D.F., Wesley, B., Li, S., et al. (2020). Deregulation of ribosomal protein expression and translation promotes breast cancer metastasis. Science 367, 1468-1473.
Kraushar, M.L., Krupp, F., Turko, P., Ambrozkiewicz, M.C., Sprink, T., Imami, K., Vieira-Vieira, C.H., Schaub, T., Harnett, D., Münster-Wandowski, A., et al. (2020). The architecture of protein synthesis in the developing neocortex at near-atomic resolution reveals Ebp1-mediated neuronal proteostasis at the 60S tunnel exit. bioRxiv, 2020.2002.2008.939488.
Liang, X., Zuo, M.-Q., Zhang, Y., Li, N., Ma, C., Dong, M.-Q., and Gao, N. (2020). Structural snapshots of human pre-60S ribosomal particles before and after nuclear export. Nature communications 11, 3542.
Narla, A., and Ebert, B.L. (2010). Ribosomopathies: human disorders of ribosome dysfunction. Blood 115, 3196-3205.
Penzo, M., Montanaro, L., Trere, D., and Derenzini, M. (2019). The Ribosome Biogenesis-Cancer Connection. Cells 8.
來源：北大生科院