发布时间:2023-04-11 10:27 原文链接: MolCell:施一公团队解析人类pretRNA剪接机制

长久以来,剪接体的调控机理是怎样的,它们在细胞内部的动态组合和变化是怎样的,深深地吸引着科学家们的研究兴趣,但其神秘的面纱一直未被揭开。

2023年4月6日,西湖大学施一公团队在 Molecular Cell 期刊发表了题为:Structural basis of pre-tRNA intron removal by human tRNA splicing endonuclease 的研究论文。

该研究首次解析了人类tRNA剪接内切核酸酶(TSEN)在催化前和催化后状态下与全长tRNA前体(pre-tRNA)结合的低温电子显微镜结构,显示了TSEN如何识别pre-tRNA,并将3'剪接位点和5'剪接位点定位到其切割位点,综合利用结构生物学和生化工作解释了人类TSEN去除pre-tRNA内含子的分子机制。

转运RNA(tRNA)对生物遗传信息的传递至关重要,它通过核糖体将mRNA翻译成蛋白质。成熟的tRNAs由前体tRNAs(pre-tRNAs)通过一系列的转录后加工和修饰步骤产生,从pre-tRNA中去除内含子对于生物遗传进化是必不可少的。

在人类中,去除pre-tRNA中内含子的过程是由tRNA剪接内切核酸酶(TSEN)介导的,该亚酶包括四个亚基:TSEN2、TSEN15、TSEN34 和 TSEN54。值得一提的是,尽管多核苷酸激酶CLP1在体外对前tRNA切割是可有可无的,但CLP1中的突变和所有TSEN亚基都与tRNA代谢和神经病理学的改变有关。

为回答pre-tRNA是如何被TSEN识别的,以及5'剪接位点和3'剪接位点是如何被加载到TSEN2/TSEN34的活性位点这两个困扰科研界多年的谜题,该研究通过纯化人TSEN/CLP1复合物、pre-tRNA切割试验、TSEN/CLP1/前pre-tRNA复合体的组装、冷冻电镜样品制备和数据采集以及竞争性结合测定生化实验,对其进行深入探索。

本研究首次报道了两种人类TSEN与全长pre-tRNA结合、高分辨率低温电子显微镜结构:一种在催化前状态,另一种在催化后状态,平均分辨率分别高达2.94Å和2.88Å。

研究结果显示人类TSEN的结构特征是一个延伸的表面凹槽,容纳了l形的pre-tRNA,pre-tRNA的成熟结构域被TSEN34、TSEN54和TSEN2的保守结构元件所识别,这种识别定位了pre-tRNA的反密码子茎。

令人惊喜的是,5'剪接位点和3'剪接位点周围的核苷酸主要被TSEN2和TSEN34识别,这些相互作用可以确保5'剪接位点和3'剪接位点分别精确地放置在TSEN2和TSEN34的催化中心中。

此外,为了捕获预催化状态,研究人员在TSEN中引入了两个错义突变:TSEN34中的H255A和TSNE2中的H377A,进而研究其结构信息以及结构引导的生化分析,为成功解析人类TSEN前tRNA识别和切割的机制提供了基础。

考虑到pre-tRNA和tRNA结构的相似性,TSEN延伸的扩展表面凹槽也应该识别tRNA。为证实该分析,tRNAARG-UCU与TSEN/CLP1形成了一个稳定的复合物。与tRNA相比,pre-tRNA可以被TSEN识别,其更具体的相互作用指向其独特的BHL基序。

上述结果充分地解释了为什么大部分的内含子序列与TSEN没有直接的相互作用,而不同内含子的pre-tRNA可以被容纳和裂解,解析了人类TSEN去除pre-tRNA内含子的分子机制。

值得一提的是,施一公及张晓峰团队于两个月前发表的研究论文:Mechanisms of the RNA helicases DDX42 and DDX46 in human U2 snRNP assembly,揭秘三种RNA解旋酶作用机制——人U2 snRNP组装中RNA解旋酶DDX42和DDX46的作用机制,为癌症突变机制提供新见解。

施一公院士团队是世界上首个、也是唯一一个成功捕获并解析了RNA剪接过程中所有完全组装剪接体高分辨率三维结构系列成果的团队。从组装到被激活,从两步转酯反应发生到剪接体的解聚,各种各样状态的剪接体完整覆盖了剪接通路,首次将剪接体介导的RNA剪接过程完整地串联起来,为理解RNA剪接的分子机理提供了最清晰、最全面的结构信息,成功获取剪接体这颗分子生物学皇冠上的明珠。

图 5:剪接体结构汇总(来源:https://ygshi.org/research)

目前,施一公团队克服技术障碍,深入探索生命细节,获得人类TSEN/CLP1/pretRNA复合物在催化前和催化后状态下的结构,为理解pre-tRNA剪接的机制提供了一个全新的框架。如此振奋人心的研究结果令人看到了科学家们孜孜不倦的努力,从基础科学的研究到临床应用,再到治疗疾病,未来可期。

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