張潤東研究員團隊在Nucleic Acids Research 發(fā)表研究論文，揭示小核糖核蛋白復(fù)合體組裝重要機制
近日，我院眼科和生物治療國家重點實驗室張潤東研究員團隊在國際期刊《Nucleic Acids Research》 (影響因子為11.147) 在線發(fā)表題為“Negative cooperativity between Gemin2 and RNA provides insights into RNA selection and the SMN complex's release in snRNP assembly”的研究論文，揭示小核糖核蛋白復(fù)合體（small nuclear ribonucleoprotein particle, snRNP）組裝的重要機制。該研究由張潤東研究員團隊獨立完成，張潤東研究員為通訊作者，博士研究生易紅飛和牟莉為共同第一作者。
剪接體是真核細(xì)胞中負(fù)責(zé)將前體信使RNA（pre-mRNA）的非編碼區(qū)剪除并將編碼區(qū)拼接起來的主要分子機器。snRNP是剪接體的主要組成部件，包括U1,U2,U4和U5 snRNP等。它們共有一個組成和結(jié)構(gòu)相同的核心：7個Sm蛋白，D1, D2, F, E, G, D3和B，環(huán)繞小核RNA（small nuclear RNA, snRNA）中的一個由9個核苷酸組成的Sm蛋白結(jié)合位點(Sm site)而形成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。在此核心的基礎(chǔ)上，每個snRNP再各自招募不同的特異蛋白組成更大更復(fù)雜的成熟snRNP。snRNP在體內(nèi)的生物合成是非常復(fù)雜的多步驟過程，經(jīng)歷了細(xì)胞核-細(xì)胞漿-細(xì)胞核三個階段。snRNP核心的組裝是其中一個重要環(huán)節(jié)，發(fā)生在細(xì)胞漿中。早在上世紀(jì)80-90年代，人們已經(jīng)開始研究snRNP核心的組裝，發(fā)現(xiàn)7個Sm蛋白組成3個亞復(fù)合體，D1/D2, F/E/G和D3/B。在體外將這3個亞復(fù)合體與僅有9個核苷酸的Sm蛋白結(jié)合位點AAUUUUUGG 孵育后即可得到穩(wěn)定的snRNP核心（也稱為Sm核心）。但1997年發(fā)現(xiàn)在細(xì)胞中snRNP核心的組裝需要另外一個蛋白復(fù)合體—SMN(Survival of Motor Neuron)蛋白復(fù)合體。SMN蛋白表達(dá)的不足引起了人類運動神經(jīng)元退行性病變脊髓性肌肉萎縮癥（spinal muscular atrophy, SMA），并且人們發(fā)現(xiàn)SMN復(fù)合體介導(dǎo)的snRNP核心的組裝是引起此疾病的重要途徑。因此研究SMN復(fù)合體怎樣幫助snRNP核心的組裝既有基本生物學(xué)意義，又有重要醫(yī)學(xué)價值。
為什么體外可以自發(fā)進(jìn)行的Sm核心的組裝反應(yīng)，偏偏在真核細(xì)胞中需要一個復(fù)雜的SMN復(fù)合體(脊椎動物細(xì)胞中有9個成員蛋白：SMN，Gemin2-8和unrip)幫助呢？早在2002年一篇《Science》論文報道指出，SMN復(fù)合體發(fā)揮了必不可少的增加RNA組裝進(jìn)入Sm核心的特異性，避免Sm蛋白組裝在其它RNA上的作用。2005年報道進(jìn)一步指出，SMN復(fù)合體介導(dǎo)的組裝進(jìn)入Sm核心的RNA不僅需要Sm site，還需要其3’端有一個莖環(huán)結(jié)構(gòu)。那么，SMN復(fù)合體如何增加RNA組裝特異性？這是該領(lǐng)域的一個關(guān)鍵性的機制問題。雖然這十多年的研究提出了一些機制模型，但這些模型并不能滿意地解釋所有相關(guān)的現(xiàn)象。因此這一問題一直是未解之謎。另外SMN復(fù)合體在幫助snRNP核心組裝之后如何解離下來也一直是該領(lǐng)域的不解之謎。
張潤東研究員團隊通過綜合運用晶體學(xué)和生物化學(xué)等研究手段，細(xì)致地分析了SMN/Gemin2結(jié)合SmD1/D2/F/E/G形成組裝中間體到snRNP核心組裝完成的整個過程，發(fā)現(xiàn)了SMN復(fù)合體組裝snRNP核心的全新機制。此機制一箭雙雕，同時解開了以上兩個持續(xù)多年的不解之謎。該論文揭示的新機制是：分別結(jié)合在馬蹄狀的SmD1/D2/F/E/G外部和內(nèi)部的Gemin2和RNA可以別構(gòu)性地相互抑制與SmD1/D2/F/E/G的結(jié)合，具有負(fù)協(xié)同(negative cooperativity)相互作用（圖1）。具體而言，Gemin2結(jié)合在SmD1/D2/F/E/G外部，不依賴其N端尾巴，使其開口變窄[圖1，步驟(1)-(2)]，從而增加了RNA的組裝特異性：能結(jié)合進(jìn)入的RNA既需要Sm site又需要3’端的莖環(huán)結(jié)構(gòu)[圖1，步驟(3)]。而RNA結(jié)合進(jìn)入SmD1/D2/F/E/G的內(nèi)部后，撐開了其開口[圖1，步驟(4)]，導(dǎo)致SMN/Gemin2與SmD1/D2/F/E/G的親合力變?nèi)鯊亩怆x下來[圖1，步驟(5)]。SmD1/D2/F/E/G的開口變寬還使得SmD3/B可以結(jié)合進(jìn)入，從而完成snRNP核心組裝，并且進(jìn)一步促進(jìn)了SMN/Gemin2的解離[圖1，步驟(6)]。這一機制同時回答了SMN復(fù)合體如何增加RNA組裝的特異性和如何解離下來的兩個基本性問題。此機制可以滿意地回答所有相關(guān)的現(xiàn)象，適用于所有真核細(xì)胞中剪接體snRNP核心組裝，還應(yīng)該適用于U7 snRNP核心的組裝。另外，此機制的闡明對于脊髓性肌肉萎縮癥的病生理研究也具有指導(dǎo)意義。
原文鏈接：https://doi.org/10.1093/nar/gkz1135
作者：沈國波編輯：史杰蔚 周亮來源：科研三支部
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