Nature:RNA的自我调控功能

来自: 测序中国http://www.seq.cn/portal.php?mod=view&aid=1671

近日,科学家们获得了两个结合在一起的RNA分子的结晶结构图谱,这一科研结果不仅能够帮助科研人员了解这些调控核糖开关(riboswitch)是如何对mRNA的表达进行调控的,也可以进一步丰富我们对RNA结构以及组织类型的理解和认识。

近三十年里,关于RNA在细胞生理进程中所起到的作用,我们有了爆炸式的认识。比如有一大类调控RNA——我们将其称作核糖开关(riboswitch),通过对这些分子的结构的研究,可以了解这些核糖开关能够通过与特异性配体(ligands)的识别、及结合的方式,对其下游信使RNA的转录,或者翻译过程进行调控。最近,Zhang和Ferré-D’Amaré等人又发现了一个新的分子结构,这是一种细菌核糖开关的分子结构,是T-box核糖开关与tRNA分子结合而成的复合物的分子结构。Zhang等人的研究成果向世人展示了一种RNA分子是如何识别另外一个与其大小差不多的RNA分子,然后又通过一种非常简单的开关机制,对自身的转录进行调控这一整个过程。

为了合成蛋白质,细胞必须对各种tRNA进行调控,这些tRNA能够与对应的氨基酸残基共价结合,将其运送至蛋白质链上的相应位置。氨酰-tRNA合酶(aminoacyl-tRNA synthetases)就是负责让tRNA与对应的氨基酸残基共价结合的酶。在革兰氏阳性菌中,有一种叫做T-box的核糖开关,该分子位于每一种氨酰-tRNA合酶mRNA编码序列的上游,起到负向调节该合酶编码mRNA分子合成的作用。

在这种T-box RNA分子里,至少含有两种独立的折叠结构域(folded domain),其中一种是起到感知作用的适体结构域(aptamer domain),该结构域能够形成一种长茎结构,与特定的tRNA分子结合,我们将其称作stem I结构域;另外一种结构域则是在两种不同的构象间进行转换,起到真正的分子开关的作用,该结构域的开关取决于所结合的tRNA分子是否连接了氨基酸残基。如图1a所示,如果tRNA分子上连接了氨基酸残基,那么氨酰-tRNA合酶编码mRNA的转录过程就会终止,如果tRNA分子上没有连接氨基酸残基,那么T-box分子开关就会稳定在抗转录终止的构象(antiterminator conformation)上,促进氨酰-tRNA合酶编码mRNA的转录,以及后续蛋白质的合成作用,如图1b所示。

stem I结构域是一种双螺旋(double-helical)的RNA结构域,大约有100个核苷酸那么长,上面遍布了多个结构非常保守的基序(motif)。之前的研究已经发现,这些基序中绝大部分都与tRNA的识别和结合作用相关,不过原子层面(atomic-level)的详细作用机制还不清楚。Zhang和Ferré-D’Amaré他们的工作首次观测到了T-box分子中的stem I结构域,与未结合氨基酸残基的甘氨酰tRNA分子组成的复合体的晶体结构,让我们有机会了解核糖开关与tRNA分子结合的具体细节。这个复合体的晶体结构图还能够解释stem I基序的精细作用,提供与其协同作用相关的具体信息,也能够帮助科学家们了解这种基序的结构为什么会高度保守。

stem I结构主要识别的似乎是tRNA分子上的两个位点,分别是反密码子环(anticodon loop)和T、D环(T- and D-loops)。而且stem I结构还会进行折叠,适应tRNA的形状,以便让stem I结构域的两端分别与反密码子环和T、D环接触并结合。

其实科学家们根据生物信息学(bioinformatics)数据、生物化学数据,以及结构学的数据已经预测出了tRNA的T、D环能够与T-box的stem I结构域结合。比如前不久有一个晶体结构研究工作就得到了这种T-box和tRNA复合体中stem I结构域末端片段的结构图,从图中就可以看出,该片段呈现出两个环互相交错在一起的结构(interleaved loop),这种结构与核酶RNase P与另外一种组成核酶的RNA组份形成的复合体(这两种较大的RNA分子也能够识别tRNA)的结构非常相似。在这种核酶复合体中,交错环结构就参与了tRNA分子的识别与结合作用,主要的结合机制就是让RNA复合体中一个平面上的碱基堆积到tRNA分子中在进化上高度保守的未叠加碱基上。

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