清華大學(xué)生命學(xué)院陳春來課題組發(fā)文：報道m(xù)RNA二級結(jié)構(gòu)的構(gòu)象可塑性（conformational plasticity）對核糖體翻譯和程序核糖體移碼的調(diào)控機(jī)制
2018年7月16日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院陳春來課題組在學(xué)術(shù)期刊《核酸研究》（Nucleic Acids Research）雜志在線發(fā)表了題為《mRNA下游假結(jié)體的構(gòu)象可塑性對核糖體的動態(tài)構(gòu)象和移位速率的調(diào)制》（Translocation kinetics and structural dynamics of ribosomes are modulated by the conformational plasticity of downstream pseudoknots）的研究論文。本工作利用單分子熒光共振能量轉(zhuǎn)移技術(shù)（single-molecule FRET）揭示出下游二級結(jié)構(gòu)主要阻礙核糖體移位過程后期的反應(yīng)速率，且二級結(jié)構(gòu)的構(gòu)象可塑性與其對移位過程速率的影響和誘導(dǎo)程序核糖體移碼的能力有很強(qiáng)的相關(guān)性。綜合以上結(jié)果，本工作揭示了mRNA二級結(jié)構(gòu)的構(gòu)象可塑性對核糖體翻譯和程序核糖體移碼的調(diào)控機(jī)制。
在翻譯過程中，mRNA的二級結(jié)構(gòu)能夠阻礙核糖體在mRNA上的移動，并是誘導(dǎo)核糖體發(fā)生-1位的程序性移碼的必要元件之一。早期研究表明二級結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)核糖體發(fā)生-1位的程序性移碼的能力與其機(jī)械穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性無關(guān)，而與其構(gòu)象可塑性顯著相關(guān)。然而，研究者并不清楚二級結(jié)構(gòu)的構(gòu)象可塑性是如何影響翻譯過程中核糖體的動態(tài)構(gòu)象變化和翻譯速率。
單分子熒光共振能量轉(zhuǎn)移技術(shù)(single-molecule FRET)是檢測生物大分子構(gòu)象變化的有利工具。本研究通過對tRNA和核糖體蛋白進(jìn)行位點(diǎn)特異性的熒光標(biāo)記，利用基于全內(nèi)反射熒光顯微鏡的單分子FRET手段實(shí)時靈敏地捕捉單個核糖體顆粒在翻譯過程中的動態(tài)構(gòu)象變化和翻譯速率，揭示了構(gòu)象可塑性高的mRNA二級結(jié)構(gòu)主要在核糖體與二級結(jié)構(gòu)相接觸后的第一個翻譯循環(huán)里顯著地影響核糖體自身構(gòu)象變化和移位過程的后期反應(yīng)速率?；趯?shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，提出以下分子模型（示意圖）。核糖體在mRNA上的移位反應(yīng)分為動力沖程（power-stroke）機(jī)制主導(dǎo)的前期過程和熱棘輪（thermal-ratcheting）機(jī)制主導(dǎo)的后期過程（示意圖中黑色箭頭和曲線）。在動力沖程（power-stroke）過程后，由于核糖體與mRNA的相對移動，將打開二級結(jié)構(gòu)的1-2個堿基對，破壞其穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。而構(gòu)象可塑性強(qiáng)的mRNA二級結(jié)構(gòu)會在其穩(wěn)定結(jié)構(gòu)被破壞后，快速轉(zhuǎn)化形成一個新的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。這將降低移位過程中間態(tài)（INT）的自由能，提高后期熱棘輪（thermal-ratcheting）步驟的能壘，減緩移位過程后期的反應(yīng)速率（示意圖中藍(lán)色箭頭和曲線），并在移碼序列存在時誘導(dǎo)核糖體的-1位程序移碼。
示意圖: mRNA二級結(jié)構(gòu)的構(gòu)象可塑性調(diào)控核糖體轉(zhuǎn)位過程的動力學(xué)模型
清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院陳春來研究員和賓大醫(yī)學(xué)院Yale E. Goldman教授為本文共同通訊作者。清華大學(xué)生命學(xué)院CLS項目2015級博士生吳博為本文的第一作者，生命學(xué)院2017級博士生孫瑞瑞和2015級博士生彭思佳參與了本工作。本工作獲得了北京結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心及國家自然科學(xué)基金委的經(jīng)費(fèi)支持。
原文鏈接：
https://academic.oup.com/nar/advance-article/doi/10.1093/nar/gky636/5054091?guestAccessKey=181765ec-39e3-4843-ac07-2303e3a53b9a
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