Nature:RNA的自我調控功能

來自:?測序中國http://www.seq.cn/portal.php?mod=view&aid=1671

近日,科學家們獲得了兩個結合在一起的RNA分子的結晶結構圖譜,這一科研結果不僅能夠幫助科研人員了解這些調控核糖開關(riboswitch)是如何對mRNA的表達進行調控的,也可以進一步豐富我們對RNA結構以及組織類型的理解和認識。

近三十年里,關于RNA在細胞生理進程中所起到的作用,我們有了爆炸式的認識。比如有一大類調控RNA——我們將其稱作核糖開關(riboswitch),通過對這些分子的結構的研究,可以了解這些核糖開關能夠通過與特異性配體(ligands)的識別、及結合的方式,對其下游信使RNA的轉錄,或者翻譯過程進行調控。最近,Zhang和Ferré-D’Amaré等人又發現了一個新的分子結構,這是一種細菌核糖開關的分子結構,是T-box核糖開關與tRNA分子結合而成的復合物的分子結構。Zhang等人的研究成果向世人展示了一種RNA分子是如何識別另外一個與其大小差不多的RNA分子,然后又通過一種非常簡單的開關機制,對自身的轉錄進行調控這一整個過程。

為了合成蛋白質,細胞必須對各種tRNA進行調控,這些tRNA能夠與對應的氨基酸殘基共價結合,將其運送至蛋白質鏈上的相應位置。氨酰-tRNA合酶(aminoacyl-tRNA synthetases)就是負責讓tRNA與對應的氨基酸殘基共價結合的酶。在革蘭氏陽性菌中,有一種叫做T-box的核糖開關,該分子位于每一種氨酰-tRNA合酶mRNA編碼序列的上游,起到負向調節該合酶編碼mRNA分子合成的作用。

在這種T-box RNA分子里,至少含有兩種獨立的折疊結構域(folded domain),其中一種是起到感知作用的適體結構域(aptamer domain),該結構域能夠形成一種長莖結構,與特定的tRNA分子結合,我們將其稱作stem I結構域;另外一種結構域則是在兩種不同的構象間進行轉換,起到真正的分子開關的作用,該結構域的開關取決于所結合的tRNA分子是否連接了氨基酸殘基。如圖1a所示,如果tRNA分子上連接了氨基酸殘基,那么氨酰-tRNA合酶編碼mRNA的轉錄過程就會終止,如果tRNA分子上沒有連接氨基酸殘基,那么T-box分子開關就會穩定在抗轉錄終止的構象(antiterminator conformation)上,促進氨酰-tRNA合酶編碼mRNA的轉錄,以及后續蛋白質的合成作用,如圖1b所示。

stem I結構域是一種雙螺旋(double-helical)的RNA結構域,大約有100個核苷酸那么長,上面遍布了多個結構非常保守的基序(motif)。之前的研究已經發現,這些基序中絕大部分都與tRNA的識別和結合作用相關,不過原子層面(atomic-level)的詳細作用機制還不清楚。Zhang和Ferré-D’Amaré他們的工作首次觀測到了T-box分子中的stem I結構域,與未結合氨基酸殘基的甘氨酰tRNA分子組成的復合體的晶體結構,讓我們有機會了解核糖開關與tRNA分子結合的具體細節。這個復合體的晶體結構圖還能夠解釋stem I基序的精細作用,提供與其協同作用相關的具體信息,也能夠幫助科學家們了解這種基序的結構為什么會高度保守。

stem I結構主要識別的似乎是tRNA分子上的兩個位點,分別是反密碼子環(anticodon loop)和T、D環(T- and D-loops)。而且stem I結構還會進行折疊,適應tRNA的形狀,以便讓stem I結構域的兩端分別與反密碼子環和T、D環接觸并結合。

其實科學家們根據生物信息學(bioinformatics)數據、生物化學數據,以及結構學的數據已經預測出了tRNA的T、D環能夠與T-box的stem I結構域結合。比如前不久有一個晶體結構研究工作就得到了這種T-box和tRNA復合體中stem I結構域末端片段的結構圖,從圖中就可以看出,該片段呈現出兩個環互相交錯在一起的結構(interleaved loop),這種結構與核酶RNase P與另外一種組成核酶的RNA組份形成的復合體(這兩種較大的RNA分子也能夠識別tRNA)的結構非常相似。在這種核酶復合體中,交錯環結構就參與了tRNA分子的識別與結合作用,主要的結合機制就是讓RNA復合體中一個平面上的堿基堆積到tRNA分子中在進化上高度保守的未疊加堿基上。