Nature Communications | 高寧研究組報(bào)道人源核糖體大亞基前體復(fù)合物結(jié)構(gòu)
2020年7月15日，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院高寧研究組在Nature Communications雜志在線發(fā)表題為“Structural snapshots of human pre-60S ribosomal particles before and after nuclear export”的研究論文，報(bào)道了人源核糖體大亞基組裝前體在出核前后時(shí)期的4個(gè)中間態(tài)復(fù)合物結(jié)構(gòu) (Liang et al., 2020)。
核糖體的生物生成是一個(gè)非常復(fù)雜及高度耗能的分子過程，在真核細(xì)胞中超過300個(gè)因子（包括蛋白質(zhì)和snoRNA）參與核糖體亞基的生物生成。它們參與了rRNA的轉(zhuǎn)錄、加工、修飾及折疊，80種核糖體蛋白的修飾及組裝，以及核糖體前體顆粒的構(gòu)象成熟及跨核膜轉(zhuǎn)運(yùn)等一系列過程。臨床研究發(fā)現(xiàn)人源的核糖體組裝因子或核糖體蛋白發(fā)生突變與一類罕見的遺傳發(fā)育疾?。ńy(tǒng)稱為Ribosomopathy）有直接關(guān)系，病人具有不盡相同的臨床表型，但都展現(xiàn)出典型的幼兒發(fā)育障礙及較高的血液癌癥的罹患率 (Narla and Ebert, 2010)。除此之外，核糖體生物生成的異常高調(diào)活性也是很多類型癌癥細(xì)胞的一個(gè)重要特征 (Penzo et al., 2019)，例如今年5月的一篇研究工作發(fā)現(xiàn)循環(huán)腫瘤細(xì)胞中具有顯著高核糖體生成活性的細(xì)胞亞群，并且與腫瘤的轉(zhuǎn)移和侵染能力正相關(guān) (Ebright et al., 2020)。
近年來隨著冷凍電鏡技術(shù)的發(fā)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(xì)胞空間（核仁、核質(zhì)、細(xì)胞質(zhì)）以及不同組裝階段的前體復(fù)合物高分辨結(jié)構(gòu)得到了解析，數(shù)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后很多，大量的組裝因子信息僅限于基于酵母同源蛋白的功能注釋，少量組裝因子的表達(dá)調(diào)控在腫瘤研究的框架下得到了初步的表征。真核細(xì)胞的核糖體組裝被認(rèn)為是一個(gè)非常保守的分子過程，但是人源細(xì)胞的核糖體生成因子的數(shù)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(xì)胞質(zhì)內(nèi)前體的結(jié)構(gòu)已經(jīng)得到了解析(Ameismeier et al., 2018)，但人源大亞基前體的結(jié)構(gòu)信息還未見報(bào)道。
本研究以人源大亞基的出核轉(zhuǎn)運(yùn)接頭蛋白NMD3為誘餌，通過在其C端加入親和標(biāo)簽純化出了一系列出核前后的大亞基組裝前體內(nèi)源復(fù)合物，并通過冷凍電鏡解析了四個(gè)不同前體復(fù)合物的高分辨率結(jié)構(gòu)。在這四個(gè)結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)了十余個(gè)人源組裝因子，包括NMD3，GTPBP4，LSG1、EIF6，MRTO4，ZNF622，ZNF593，LLPH，RLP24，GNL2，TMA16，PA2G4及一個(gè)未知蛋白protein X，為進(jìn)一步研究這些因子準(zhǔn)確的分子功能和機(jī)制提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。例如，TMA16是一個(gè)保守的蛋白，但并未在之前發(fā)表的酵母大亞基前體復(fù)合物中發(fā)現(xiàn)，表明核糖體組裝過程中蛋白因子的結(jié)合時(shí)可能受到精密的調(diào)控。再如，PA2G4（Ebp1）具有不同的剪切形式，是一個(gè)多功能的蛋白因子。以往研究表明PA2G4在幾種腫瘤的發(fā)生發(fā)展中參與了ERBB3調(diào)控的信號(hào)通路。本項(xiàng)研究和德國Spahn組尚未正式發(fā)表的PA2G4結(jié)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(zhì)的翻譯中都具有明確的分子功能，暗示之前的工作有可能并不是直接效應(yīng)。
結(jié)構(gòu)分析表明出核前后大亞基前體主要結(jié)構(gòu)變化位于兩個(gè)重要的功能中心（肽酰轉(zhuǎn)移酶中心以及新生肽鏈通道），其中NMD3和GTPBP4-NTD主要參與了肽酰轉(zhuǎn)移酶中心的大尺度rRNA構(gòu)象變換；GTPBP4與ZN622的C端則影響了肽鏈出口通道的細(xì)微構(gòu)象成熟?？傊@項(xiàng)工作展示了核糖體大亞基成熟過程中其功能中心的連續(xù)構(gòu)象變化，以及順序結(jié)合的組裝因子可能的分子機(jī)制。此項(xiàng)工作整體結(jié)論表明人源核糖體大亞基在出核前后的結(jié)構(gòu)和機(jī)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(jié)構(gòu)特征，暗示酵母和人源細(xì)胞的核糖體生物生成的差異更多的集中于細(xì)胞核內(nèi)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(jié)構(gòu)工作，為進(jìn)一步研究高等真核細(xì)胞的核糖體組裝以及相關(guān)疾病提供了重要的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院高寧教授是本文的通訊作者，高寧實(shí)驗(yàn)室2015級(jí)博士研究生梁笑濛為本文第一作者。交聯(lián)質(zhì)譜相關(guān)實(shí)驗(yàn)由北京生命科學(xué)研究所董夢(mèng)秋研究員和博士生左美晴完成。本項(xiàng)工作受到國家自然科學(xué)基金委員會(huì)和科技部的項(xiàng)目資助，以及北京大學(xué)冷凍電鏡平臺(tái)、高性能計(jì)算中心、生科院儀器中心、膜生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-17237-x
參考文獻(xiàn)：
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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.
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