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        施一公团队再获新进展!解析人类 pre-tRNA 剪接机制,完善剪接体结构「地图」

        丁香学术

        880

        长久以来,剪接体的调控机理是怎样的,它们在细胞内部的动态组合和变化是怎样的,深深地吸引着科学家们的研究兴趣,但其神秘的面纱一直未被揭开。

         

        2023 年 4 月 6 日,西湖大学施一公团队在 Molecular Cell 杂志发表研究论文 Structural basis of pre-tRNA intron removal by human tRNA splicing endonuclease,该研究首次解析了人类 tRNA 剪接内切核酸酶(TSEN)在催化前和催化后状态下与全长 tRNA 前体 (pre-tRNA) 结合的低温电子显微镜结构,显示了 TSEN 如何识别 pre-tRNA,并将 3' 剪接位点和 5' 剪接位点定位到其切割位点,综合利用结构生物学和生化工作解释了人类 TSEN 去除 pre-tRNA 内含子的分子机制

        施一公团队再获新进展!解析人类 pre-tRNA 剪接机制,完善剪接体结构「地图」

        图 1:来源 Molecular Cell

        研究内容

        转运 RNA(tRNA)对生物遗传信息的传递至关重要,它通过核糖体将信使 RNA(mRNA)翻译成蛋白质。成熟的 tRNAs 由前体 tRNAs(pre-tRNAs)通过一系列的转录后加工和修饰步骤产生,从 pre-tRNA 中去除内含子对于生物遗传进化是必不可少的。

        在人类中,去除 pre-tRNA 中内含子的过程是由 tRNA 剪接内切核酸酶(TSEN)介导的,该亚酶包括四个亚基:TSEN2、TSEN15、TSEN34 和 TSEN54。值得一提的是,尽管多核苷酸激酶 CLP1 在体外对前 tRNA 切割是可有可无的,但 CLP1 中的突变和所有 TSEN 亚基都与 tRNA 代谢和神经病理学的改变有关。

        为回答 pre-tRNA 是如何被 TSEN 识别的,以及 5' 剪接位点和 3' 剪接位点是如何被加载到 TSEN2/ TSEN34 的活性位点这两个困扰科研界多年的谜题,本研究通过纯化人 TSEN/CLP1 复合物、pre-tRNA 切割试验、TSEN/CLP1/前 pre-tRNA 复合体的组装、冷冻电镜样品制备和数据采集以及竞争性结合测定生化实验,对其进行深入探索施一公团队再获新进展!解析人类 pre-tRNA 剪接机制,完善剪接体结构「地图」

        图 2:来源 Molecular Cell

         

         

        研究结果

         

        本研究首次报道了两种人类 TSEN 与全长 pre-tRNA 结合、高分辨率低温电子显微镜结构:一种在催化前状态,另一种在催化后状态,平均分辨率分别高达 2.94 Å 和 2.88 Å

         

        研究结果显示人类 TSEN 的结构特征是一个延伸的表面凹槽,容纳了 l 形的 pre-tRNA,pre-tRNA 的成熟结构域被 TSEN34、TSEN54 和 TSEN2 的保守结构元件所识别,这种识别定位了 pre-tRNA 的反密码子茎。施一公团队再获新进展!解析人类 pre-tRNA 剪接机制,完善剪接体结构「地图」

        图 3:来源 Molecular Cell

         

        令人惊喜的是,5' 剪接位点和 3' 剪接位点周围的核苷酸主要被 TSEN2 和 TSEN34 识别,这些相互作用可以确保 5' 剪接位点和 3' 剪接位点分别精确地放置在 TSEN2 和 TSEN34 的催化中心中。

         

        此外,为了捕获预催化状态,研究人员在 TSEN 中引入了两个错义突变:TSEN34 中的 H255A 和 TSNE2 中的 H377A,进而研究其结构信息以及结构引导的生化分析,为成功解析人类 TSEN 前 tRNA 识别和切割的机制提供了基础。

         

        考虑到 pre-tRNA 和 tRNA 结构的相似性,TSEN 延伸的扩展表面凹槽也应该识别 tRNA。为证实该分析,tRNAARG-UCU 与 TSEN/CLP1 形成了一个稳定的复合物。与 tRNA 相比,pre-tRNA 可以被 TSEN 识别,其更具体的相互作用指向其独特的 BHL 基序

         

        上述结果充分地解释了为什么大部分的内含子序列与 TSEN 没有直接的相互作用,而不同内含子的 pre-tRNA 可以被容纳和裂解,解析了人类 TSEN 去除 pre-tRNA 内含子的分子机制。施一公团队再获新进展!解析人类 pre-tRNA 剪接机制,完善剪接体结构「地图」

        图 4:来源 Molecular Cell

         

        研究展望

         

        值得一提的是,施一公张晓峰团队于两个月前发表研究论文 Mechanisms of the RNA helicases DDX42 and DDX46 in human U2 snRNP assembly揭秘三种 RNA 解旋酶作用机制——人 U2 snRNP 组装中 RNA 解旋酶 DDX42 和 DDX46 的作用机制,为癌症突变机制提供新见解

         

        施一公院士团队是世界上首个、也是唯一一个成功捕获并解析了 RNA 剪接过程中所有完全组装剪接体高分辨率三维结构系列成果的团队。从组装到被激活,从两步转酯反应发生到剪接体的解聚,各种各样状态的剪接体完整覆盖了剪接通路,首次将剪接体介导的 RNA 剪接过程完整地串联起来,为理解 RNA 剪接的分子机理提供了最清晰、最全面的结构信息,成功获取剪接体这颗分子生物学皇冠上的明珠

        施一公团队再获新进展!解析人类 pre-tRNA 剪接机制,完善剪接体结构「地图」

        图 5:剪接体结构汇总(来源:https://ygshi.org/research)

        目前,施一公团队克服巨大的技术障碍,深入探索生命细节,获得人类 TSEN/CLP1/pretRNA 复合物在催化前和催化后状态下的结构,为理解 pre-tRNA 剪接的机制提供了一个全新的框架。如此振奋人心的研究结果令人看到了科学家们孜孜不倦的努力,从基础科学的研究到临床应用,再到治疗疾病,未来可期!

        题图来源:站酷海洛

        参考文献:

        1. Zhang et al., Structural basis of pre-tRNA intron removal by human tRNA splicing endonuclease, Molecular Cell (2023), https://doi.org/10.1016/j.molcel.2023.03.015

        2.Yang F, Bian T, Zhan X, et al. Mechanisms of the RNA helicases DDX42 and DDX46 in human U2 snRNP assembly. Nat Commun. 2023;14(1):897. Published 2023 Feb 17. doi:10.1038/s41467-023-36489-x

        长久以来,剪接体的调控机理是怎样的,它们在细胞内部的动态组合和变化是怎样的,深深地吸引着科学家们的研究兴趣,但其神秘的面纱一直未被揭开。

        2023 年 4 月 6 日,西湖大学施一公团队在 Molecular Cell 杂志发表研究论文 Structural basis of pre-tRNA intron removal by human tRNA splicing endonuclease,该研究首次解析了人类 tRNA 剪接内切核酸酶(TSEN)在催化前和催化后状态下与全长 tRNA 前体 (pre-tRNA) 结合的低温电子显微镜结构,显示了 TSEN 如何识别 pre-tRNA,并将 3' 剪接位点和 5' 剪接位点定位到其切割位点,综合利用结构生物学和生化工作解释了人类 TSEN 去除 pre-tRNA 内含子的分子机制施一公团队再获新进展!解析人类 pre-tRNA 剪接机制,完善剪接体结构「地图」

        图 1:来源 Molecular Cell

         

         

        研究内容

         

        转运 RNA(tRNA)对生物遗传信息的传递至关重要,它通过核糖体将信使 RNA(mRNA)翻译成蛋白质。成熟的 tRNAs 由前体 tRNAs(pre-tRNAs)通过一系列的转录后加工和修饰步骤产生,从 pre-tRNA 中去除内含子对于生物遗传进化是必不可少的。

         

        在人类中,去除 pre-tRNA 中内含子的过程是由 tRNA 剪接内切核酸酶(TSEN)介导的,该亚酶包括四个亚基:TSEN2、TSEN15、TSEN34 和 TSEN54。值得一提的是,尽管多核苷酸激酶 CLP1 在体外对前 tRNA 切割是可有可无的,但 CLP1 中的突变和所有 TSEN 亚基都与 tRNA 代谢和神经病理学的改变有关。

         

        为回答 pre-tRNA 是如何被 TSEN 识别的,以及 5' 剪接位点和 3' 剪接位点是如何被加载到 TSEN2/ TSEN34 的活性位点这两个困扰科研界多年的谜题,本研究通过纯化人 TSEN/CLP1 复合物、pre-tRNA 切割试验、TSEN/CLP1/前 pre-tRNA 复合体的组装、冷冻电镜样品制备和数据采集以及竞争性结合测定生化实验,对其进行深入探索施一公团队再获新进展!解析人类 pre-tRNA 剪接机制,完善剪接体结构「地图」

        图 2:来源 Molecular Cell

         

         

        研究结果

         

        本研究首次报道了两种人类 TSEN 与全长 pre-tRNA 结合、高分辨率低温电子显微镜结构:一种在催化前状态,另一种在催化后状态,平均分辨率分别高达 2.94 Å 和 2.88 Å

         

        研究结果显示人类 TSEN 的结构特征是一个延伸的表面凹槽,容纳了 l 形的 pre-tRNA,pre-tRNA 的成熟结构域被 TSEN34、TSEN54 和 TSEN2 的保守结构元件所识别,这种识别定位了 pre-tRNA 的反密码子茎。施一公团队再获新进展!解析人类 pre-tRNA 剪接机制,完善剪接体结构「地图」

        图 3:来源 Molecular Cell

         

        令人惊喜的是,5' 剪接位点和 3' 剪接位点周围的核苷酸主要被 TSEN2 和 TSEN34 识别,这些相互作用可以确保 5' 剪接位点和 3' 剪接位点分别精确地放置在 TSEN2 和 TSEN34 的催化中心中。

         

        此外,为了捕获预催化状态,研究人员在 TSEN 中引入了两个错义突变:TSEN34 中的 H255A 和 TSNE2 中的 H377A,进而研究其结构信息以及结构引导的生化分析,为成功解析人类 TSEN 前 tRNA 识别和切割的机制提供了基础。

         

        考虑到 pre-tRNA 和 tRNA 结构的相似性,TSEN 延伸的扩展表面凹槽也应该识别 tRNA。为证实该分析,tRNAARG-UCU 与 TSEN/CLP1 形成了一个稳定的复合物。与 tRNA 相比,pre-tRNA 可以被 TSEN 识别,其更具体的相互作用指向其独特的 BHL 基序

         

        上述结果充分地解释了为什么大部分的内含子序列与 TSEN 没有直接的相互作用,而不同内含子的 pre-tRNA 可以被容纳和裂解,解析了人类 TSEN 去除 pre-tRNA 内含子的分子机制。施一公团队再获新进展!解析人类 pre-tRNA 剪接机制,完善剪接体结构「地图」

        图 4:来源 Molecular Cell

         

        研究展望

         

        值得一提的是,施一公张晓峰团队于两个月前发表研究论文 Mechanisms of the RNA helicases DDX42 and DDX46 in human U2 snRNP assembly揭秘三种 RNA 解旋酶作用机制——人 U2 snRNP 组装中 RNA 解旋酶 DDX42 和 DDX46 的作用机制,为癌症突变机制提供新见解

         

        施一公院士团队是世界上首个、也是唯一一个成功捕获并解析了 RNA 剪接过程中所有完全组装剪接体高分辨率三维结构系列成果的团队。从组装到被激活,从两步转酯反应发生到剪接体的解聚,各种各样状态的剪接体完整覆盖了剪接通路,首次将剪接体介导的 RNA 剪接过程完整地串联起来,为理解 RNA 剪接的分子机理提供了最清晰、最全面的结构信息,成功获取剪接体这颗分子生物学皇冠上的明珠施一公团队再获新进展!解析人类 pre-tRNA 剪接机制,完善剪接体结构「地图」

        图 5:剪接体结构汇总(来源:https://ygshi.org/research)

         

        目前,施一公团队克服巨大的技术障碍,深入探索生命细节,获得人类 TSEN/CLP1/pretRNA 复合物在催化前和催化后状态下的结构,为理解 pre-tRNA 剪接的机制提供了一个全新的框架。如此振奋人心的研究结果令人看到了科学家们孜孜不倦的努力,从基础科学的研究到临床应用,再到治疗疾病,未来可期!

         

         

        题图来源:站酷海洛

        参考文献:

        1. Zhang et al., Structural basis of pre-tRNA intron removal by human tRNA splicing endonuclease, Molecular Cell (2023), https://doi.org/10.1016/j.molcel.2023.03.015

        2.Yang F, Bian T, Zhan X, et al. Mechanisms of the RNA helicases DDX42 and DDX46 in human U2 snRNP assembly. Nat Commun. 2023;14(1):897. Published 2023 Feb 17. doi:10.1038/s41467-023-36489-x

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