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NSMB 张金伟赵华组共同揭示T-box核酸开关的核心机理


来源:澳门葡京      发布时间:2019-12-24 08:13     点击率:

  作为蛋白质的基本构成成分,氨基酸是所有已知独立细胞生命最普遍和必需的营养物质之一。革兰氏阳性细菌,包括多数最常见和最重要的人类病原体比如芽孢杆菌,梭菌,葡萄球菌等,广泛利用多种非编码核糖核酸的氨酰化,从而满足细胞的蛋白质合成需求。在革兰氏阳性细菌内调控氨基酸代谢最常见的的非编码核酸系统是T-box核酸开关。该类核酸开关能够直接结合并辨识特异的tRNA,判断该tRNA3’末端是否携带氨基酸,并据此改变自身的构象来实现下游的氨基酸代谢基因调控。阻断T-box核酸开关的药物能有效的抑制革兰氏阳性菌的病原体生长,并且通过同时抑制同一菌种里的若干结构相似的T-box核酸开关,以实现降低细菌抗药性的发生

  最近十年,核酸深度测序的技术飞跃揭示了非编码核糖核酸在细胞内发挥的越来越广泛和关键的功能,然而,非编码核酸结构生物学面临重大的技术挑战,严重阻碍了分子机制的阐明和核酸类以及以核酸为靶点的药物的研发。T-box核酸开关提供了一个揭示天然非编码核酸结构以及相互识别的分子机制的重要示范系统。T-box核酸开关一般包括三个结构区域,分别发挥不同的功能:(1)5’端的Stem I 区域负责辨识tRNA的整体结构和它特异的反密码子(anticodon)【5,6】;(2)3’端的氨基酸判别器(discriminator)区域负责识别tRNA3’末端是否携带氨基酸并且据此改变自身构象【7】;以及(3)多数T-box 核酸开关还有一个中间的功能尚不明确的Stem II 局域。

  T-box 核酸开关的核心机理问题在于如何使用一个核酸结构区域来识别tRNA末端是否携带氨基酸,以探测细胞内的氨基酸缺失和营养匮乏。目前已知这类功能只能由包含多个区域的大型蛋白质在核糖体上共同实现对tRNA上氨基酸的识别。

  2019年11月18日,美国国立卫生研究院(NIH)研究员张金伟研究组(与斯坦福大学赵华研究组在Nature Structural & Molecular Biology杂志上发表长文文章Structuralbasis of amino acid surveillance by higher-order tRNA-mRNA interactions,通过生化定义并解析首个T-box核酸开关3’端的氨基酸判别器(discriminator)区域和tRNA的共晶体结构(2.66 Å分辨率),首次揭示了核糖核酸辨识tRNA氨酰化(aminoacylation)的分子机制。T-box核酸开关使用三个双链核酸螺旋区和两侧保守的单链区域一同构建结构紧凑的氨基酸判别器。判别器的内核使用一个位置独特的碱基对来实现对tRNA末端氨基酸的感测,并依据氨基酸的有无调整该判别器的构象,从而实现对下游氨基酸代谢相关基因表达的精准调控。

  a. T-box核酸开关和tRNA配体的相互作用模型;b. T-box核酸开关氨基酸判别器(discriminator)区域和tRNA的共晶体结构;c. T-box和tRNA的共轴堆积提供了缺失氨基酸的tRNA稳定转录抗终止子的结构基础

  a. T-box核酸开关氨基酸判别器(discriminator)紧密结合tRNA的3’末端核苷酸(tA76);b. 模拟的tRNA末端氨基酰与氨基酸判别器核心区的一个碱基对(红色)发生空间冲突和相互排斥;c. tRNA的3’末端核苷酸的空间环境和氨基酰化不相容。

  T-box 核酸开关另外一个重要的未解决问题在于T-box 核酸开关的的不同区域如何实现结构和功能上的耦合,以整合对tRNA配体不同区域特征的识别并实现基因调控。斯坦福大学赵华(WachChiu)研究组(和NIH张金伟研究组密切合作,使用冷冻电镜(cryo-EM)技术首次解析了全长T-box核酸开关和tRNA配体的复合物结构,并首次对小型核酸颗粒(78kDa)达到了5埃以下(4.9Å)的解析分辨率。全长的T-box核酸开关形成一个U形的分子钳,同时结合tRNA配体的三个位点,通过分子间同轴堆叠构建出一个高度稳定的核酸复合结构,从而实现转录抗终止或者核糖体结合,以驱动下游氨基酸代谢基因的表达。

  a. 全长T-box 核酸开关和tRNA配体的复合物冷冻电镜(cryo-EM)结构;b. 氨基酸缺失下,T-box和tRNA通过碱基配对,三维接触,和共轴堆积紧密结合;tRNA稳定T-box的抗终止子构象,下游基因得到表达;c. 氨基酸充足下,tRNA末端氨基酸引起空间冲突,阻止抗终止子形成;终止子发卡环形成,造成转录终止,下游基因关闭。

  整体结构分析表明,整个T-box核酸开关和tRNA的结合只使用了7个碱基配对。这相当有限的序列互补性通过频繁使用分子内和分子间的同轴堆叠(coaxialstacking)和三级接触(比如嘌呤-小沟相互作用)以达到特异和稳定的分子识别和基因表达调控。这些结构和功能的信息有助于设计,筛选,和开发广泛存在的T-box核酸开关为靶点的新一代抗生素药物。在T-box- tRNA 复合物中发现的广泛利用堆叠以及三级接触的多价相互作用的范例也可能驱动长非编码RNA结构域或病毒RNA基因组的组装。

  此研究工作主要由张金伟研究组博士后李爽博士和赵华研究组博士后苏昭铭博士共同完成。

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