當前位置:首頁  首頁  新聞通知

任艾明实验室Nature Communications报道新型核开关SAM-VI核开关三维结构及配体识别机制研究

时间:2019年12月16日 访问次数:347

        20191216日,亚冠娱乐任艾明课题组与奥地利因斯布鲁克大学Ronald Micura教授課題組合作在Nature Communications上發表題爲“SAM-VI riboswitch structure and signature for ligand discrimination”的研究論文

       核開關是一类位于mRNA 5'端序列高度保守的非編碼RNA分子,一般含有兩個功能模塊:適配體結構域(Aptamer Domain)和表達平台(Expression Platform)。適配體結構域通過結合相應的配體,自身構象發生改變,進而誘導表達平台構象變化,在轉錄水平或者翻譯水平調控下遊基因的表達。最早的核開關于2002年被報道,迄今已經發現約有近40種,絕大多數存在于細菌中。

       S-腺苷甲硫氨酸(S-adenosylmethionine, SAM),是生物體內的一類重要的小分子代謝物,在不同生物種屬均發揮至關重要的作用。SAM核開關特異性識別SAM,是目前種類最多的一類核開關,分爲SAM-ISAM-IVSAM-I/IVSAM-IISAM-VSAM-IIISAM-VI等多個亞型。 SAM-VI核開關是2017年被鑒定出的一類新型核開關,可以特異性地識別SAM,而對與SAM結構類似僅少一個甲基的代謝産物SAH響應很弱。二級結構顯示,SAM-VI核開關含有三個莖區(StemP1P2P3,它們連接在同一個大內環上,形成一個三通路(3-way junctional)的RNA结构。 茎区P3長度相對較短,與莖區P1直接相連,核糖體結合位點SD序列就處于莖區P1P3的連接區域(A)。

       为了阐明SAM-VI核開關的配體識別機制,任艾明課題組利用X-射線晶體學的方法,解析了野生型SAM-VI核開關與SAMSAH以及SAM類似物M1(化學結構如B)等一系列複合物的三維結構。三維結構顯示,SAM-VI核開關莖區P1P2以及参与配体识别的内环上的碱基连续堆积形成长双螺旋轴, 茎区P3與該長軸幾乎垂直相交,而配體SAM就結合在P3與長軸相交的內環區(C)。對SAM識別口袋的結構分析顯示,配體SAM的腺苷與內環區堿基U8形成經典Watson-Crick配對,該堿基對進一步被A36/A37/G38特異性識別,並通過堆積作用參與長軸形成(DE)。SAM的糖環以及配體末端的α-氨基也分別與堿基G33U8形成氫鍵作用被固定于口袋外側(E)。通過對結合口袋進行堿基特異性突變以及ITC結合實驗,進一步驗證了SAM-VI核開關對SAM特異性識別的結構特征,同時也揭示了SAM-VI核開關傾向于結合SAM而不是SAH的原因。

       综合序列保守性分析发现在SAM-VI核開關在莖區P15'端存在部分堿基可能與三維結構研究中發現的莖區P1中的關鍵堿基相互配對形成莖區P0,進而阻止含有莖區P1的結合狀態結構的形成,釋放SD序列,啓動後續基因表達。課題組基于體外的Ap標記實驗以及體內的LacZ報告基因實驗,完美得驗證了莖區P0參與的SAM-VI核開關的作用機制,建立了新的核開關調控模型(F)。當細胞內SAM濃度偏低時,SAM-VI核開關形成莖區P0,此時SAM-VI核開關的SD序列被釋放,啓動下遊的基因表達;當細胞內SAM濃度增高時,SAM-VI核開關結合SAM,莖區P1形成,SD序列被固定于複合物結構中,SAM-VI核開關下遊基因表達被關閉。與不含有莖區P0的序列相比,莖區P0的存在可以更有效的調控相關基因的關閉和啓動(F)。

       以上工作首次解析了新型核开关SAM-VI的三維結構,揭示了其與配體高特異性結合的分子機制,進一步豐富了RNA分子的結構數據庫;首次發現和驗證了新型元素核開關5'端序列參與基因表達調控的模型,推動了核開關領域的進一步發展;SAM類似物M1的複合物結構研究,爲SAM-VI核開關以及M1RNA化學和合成生物學上的應用提供了理論基礎。 


基金支持

       该研究工作获得了国家自然科学基金(318708109194030291640104 31670826,浙江省傑出青年基金(LR19C050003)以及浙江大學中央高校基金科研項目业务费(2017QN81010)等项目的资助。亚冠娱乐博士后孙爱爱博士为本论文共同第一作者。

原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-13600-9