科学家从结构上揭示酵母核糖核酸酶P加工tRNA前体机制

　　作为一种通用酶，核糖核酸酶P（RNase P）是一种通用核酶，已在生命的三个王国中发现。它加工tRNA前体（pre-tRNA）的5'端。RNase P是一种核糖核蛋白复合物，由单个具有催化能力的RNA组分和可变数量的蛋白组成。与仅含有一种小蛋白辅因子的细菌RNase P不同的是，古细菌RNase P和真核生物细胞核中的RNase P已进化出相当复杂的蛋白亚基：古细菌中有5种蛋白亚基，真核生物中有9～10种。这种tRNA前体加工反应可通过包括四个不同事件的动力学反应机制来加以描述：（1）RNase P (E)快速地和可逆地结合到pre-tRNA (S)上，从而形成一种初始的RNase P-pre-tRNA复合物（ES）；（2）一种构象变化让这种ES复合物以一种镁离子依赖性的方式发生异构化而产生一种具有催化能力的构象异构体（ES*）；（3）切割磷酸二酯键；（4）pre-tRNA的5'端前导序列快速解离下来，让成熟tRNA限速释放。

　　然而，尽管进行了广泛的生物化学和遗传学研究，但是对真核生物细胞核中的RNase P而言，它的蛋白组分的作用以及这些蛋白组分复杂性增加的原因仍然是未知的。仍然未知的是，作为底物的 tRNA前体，尤其是它的5'端前导序列，如何被真核生物RNase P识别；在催化上起着重要作用的镁离子在活性位点中是如何配位的；什么化学机制是切割pre-tRNA 5'端的化学机制是什么。高分辨率的真核RNase P结构是解答这些关键问题所必需的。

图片来自Science, doi:10.1126/science.aat6678。

　　在一项新的研究中，来自中国上海交通大学医学院、中国科学院生物化学与细胞生物学研究所、中国科学院大学、中国科学院大连化学物理研究所、上海科技大学和中国科学技术大学等研究机构的研究人员报道了酿酒酵母RNase P全酶独自时以及与pre-tRNAPhe结合在一起时的分辨率为3.5 Å的低温电镜结构。相关研究结果发表在2018年11月9日的Science期刊上，论文标题为“Structural insight into precursor tRNA processing by yeast ribonuclease P”。

　　这种酵母RNase P全酶由一个具有催化能力的RNA （即Rpr1）和9个蛋白组分组成。Rpr1 RNA采取一种延伸的单层构象。这种单层构象维持一种中央螺旋核心，但缺乏大多数让细菌RNase P保持结构稳定性所必不可少的长程RNA-RNA相互作用。这些蛋白组分形成相互连接的钩形结构，这种钩形结构紧紧地缠绕在Rpr1 RNA的周围，从而将酵母RNase P稳定为一种“测量设备（measuring device）”。这种“测量设备”具有两个固定锚用于识别底物pre-tRNA的L形结构而不是特定序列。

　　这种“测量装置”介导与pre-tRNA的初始结合以形成低亲和力的ES复合物。对tRNA前体的5'端前导序列的识别涉及Rpr1 RNA和蛋白亚基Pop5。两个在催化上起着重要作用的镁离子在由Rpr1的高度保守性尿苷U93和磷酸骨架组成的催化中心中与pre-tRNA的易切割的磷酸根离子和O3'离去基团配位在一起。这种基于RNA的催化中心的构型在从细菌到真核生物的所有RNase P中都是普遍保守的。pre-tRNA结合诱导这种催化中心发生显著的构象变化，这对应于产生ES *状态的异构化步骤。此外，这些研究人员通过模拟分析可视化观察到pre-tRNA的磷酸二酯键水解在机制上的细节，其中这种磷酸二酯键水解是一种由两个镁离子介导的双分子亲核取代反应（SN2 reaction）。

　　综上所述，这项研究中解析出的酵母RNase P结构代表着在机制上理解真核生物RNase P的功能方面迈出的重要一步。这些数据支持所有的RNase P都具有一种基于RNA的底物诱导的pre-RNA加工机制。尽管细菌RNase P RNA本身具有催化活性，但是真核生物RNase P是一种受到蛋白控制的核酶，它的蛋白组分不仅直接参与底物识别，而且还让具有催化作用的RNA稳定在一种最适合于pre-tRNA结合和裂解反应的构象中。