Cell Research | 高宁课题组揭示人源核糖体大亚基细胞核质内的成熟过程

2023-08-06 13:08

核糖体是细胞中负责蛋白质翻译的分子机器，在人源细胞中，40S小亚基由18S rRNA以及33种小亚基蛋白组成，60S大亚基由28S rRNA，5S rRNA，5.8S rRNA和47种大亚基蛋白组成。核糖体组装是一个复杂且高度耗能的过程，在真核细胞中，超过200个组装因子参与到核糖体亚基的组装过程中。这些组装因子参与了rRNA的转录、加工、修饰及折叠，核糖体蛋白的修饰及组装，以及核糖体的构象成熟和出核转运等一系列过程。临床研究发现，人源核糖体蛋白或组装因子的突变与一类遗传发育疾病有直接关系，这类疾病被统称为核糖体病（Ribosomopathy）。由于核糖体的合成或功能的缺陷，这些疾病通常具有造血功能受损与癌症易感性增加的特征。除此之外，核糖体组装的活性异常上调也是很多类型癌症细胞的一个重要特征。

以酿酒酵母为模式生物，真核生物核糖体组装的结构研究已经揭示了大、小亚基不同组装阶段（从核仁、核质到细胞质）的高分辨结构，数目众多的组装因子的分子功能获得了解释。真核细胞的核糖体组装被认为是一个保守的过程，但是人源细胞的核糖体具有更高程度的复杂性，并且人源细胞被报道使用额外的组装因子进行核糖体组装过程。在过去的几年里，人源40S亚基相关的一系列组装中间体结构已经获得了解析，但是研究者对人源60S亚基组装的结构研究仍然局限在其出核转运前后的阶段。

2023年7月25日，北京大学生命科学学院高宁课题组在Cell Research杂志在线发表题为“Visualizing the nucleoplasmic maturation of human pre-60S ribosomal particles”的研究论文，揭示了人源核糖体大亚基细胞核质内的成熟过程。

本研究以细胞核定位的组装因子GNL2为诱饵，通过在其C端加入亲和标签进行纯化，并通过冷冻电镜解析了11个组装前体复合物的高分辨率结构（图1）。这些高分辨率的结构快照近乎以时间分辨率揭示了核糖体大亚基组装过程中两个主要结构重塑事件（Rotation of the Central Protuberance，中央突起作为整体的旋转；Removal of the ITS2，内转录间隔区2的去除）的详细信息，并且提供了相比模式生物酿酒酵母中相关结构更加丰富的结构细节。另外，本研究还发现了两个新的组装因子L10K和C11orf98。其中L10K早在30多年前首次被报道为大鼠肿瘤相关蛋白，但其确切功能此前仍不清楚，本研究首次证实了L10K作为组装因子的作用。结构分析表明，许多组装因子在核糖体同一位置作为连续的占位符来控制组装因子结合和解离的时机，并且表现出不同结构域的多相结合特性。通过这种复杂的相互依赖关系，来引导rRNA逐渐到达成熟构象。论文关注到与mRNA翻译过程的分子机制严密相关的区域，比如P-loop（大亚基上与P位点tRNA相互作用的区域），本研究发现组装因子SDAD1促进了RNA螺旋H80折叠和P-loop的形成。关于大亚基肽基转移酶中心（PTC）的成熟过程，本研究发现PTC的成熟过程开始于RNA螺旋H92的构象变化，并且GTPase GNL2感知H92的构象变化启动GTP水解过程，进而使得大亚基组装过程继续进行，说明GNL2的GTP水解可能作为上游组装事件的质量检查点，起到监控PTC成熟的作用。总体而言，本研究的结构数据表明，人源核糖体大亚基细胞核质内的成熟过程大体上在事件上是线性逐进的，但也存在平行组装途径。