Molecular Cell | 程淨東博士等揭示報道了一系列90S核糖體前體的組裝過程
真核生物的核糖體組裝是細胞內最重要也是最耗能的過程之一，也是細胞核的核仁構成成分，包含4條rRNA的剪切和摺疊以及80個核糖體蛋白的翻譯、轉運和組裝。除此以外，還有多於200個的組裝因子參與其中。近年發現，核糖體的組裝異常與人類疾病密切相關，已經成爲多種疾病治療的熱門研究靶點。
酵母以及噬熱毛殼菌的核糖體組裝起始於RNA聚合酶I 對35S rRNA的轉錄，依次包含小亞基的18S rRNA和大亞基的5.8S 、25S rRNA。35S rRNA 轉錄的同時，核糖體組裝因子會順序結合在rRNA上，並最先組裝成40S小亞基的前體——90S核糖體前體。伴隨着35S rRNA中位點2或者位點3的切割，90S核糖體前體被釋放出來，經過一系列組裝因子的作用，從核仁區經過核質區和核孔複合物進入細胞質，並最終成熟爲40S小亞基。目前，A1位點還未被剪切的其中一個狀態的90S（Pre-A1 90S）的結構已經被解析【1,2】。但是對於細胞內組裝成Pre-A1 90S核糖體前體的過程仍是未知。
圖1. 核糖體的組裝示意圖【3】
2019年8月1日，來自慕尼黑大學Roland Beckmann實驗室（程淨東博士爲第一作者）和其合作者在Molecular Cell在線發表文章Thermophile 90S Pre-ribosome Structures Reveal the Reverse Order of Co-transcriptional 18S rRNA Subdomain Integration，報道了一系列90S核糖體前體的中間體結構，揭示了18S rRNA中4個亞結構域（5’結構域，central 結構域, 3’major結構域, 3’minor結構域）是以反向順序組裝成Pre-A1 90S核糖體前體。
程淨東博士等基於之前的研究，進一步鑑定了Kre33/Enp2/Bfr2/Lcp5和Noc4/Nop14/Emg1/Enp1/Rrp12是以模塊複合物的形式存在，分別結合在18S的5’結構域和3’結構域。作者選取了Kre33和Noc4兩個蛋白作爲誘餌，採用分步純化的方式，分離純化了嗜熱毛殼菌90S核糖體前體的樣品。通過單顆粒冷凍電鏡分析，得到了6種不同的組裝中間態的90S核糖體前體結構，他們都早於Pre-A1 90S 核糖體前體。其中的兩個狀態a和b中的Central 亞結構域都結合有Rrp5因子，導致其處於非成熟狀態。因爲這與在飢餓條件下純化出的結構相同，作者將其歸爲90S組裝的側線。在主線中，狀態A中大部分的5’結構域還沒有穩定的結合成90S上，僅有Kre33二聚體，central和3’結構域（major和minor）與之結合。隨着成熟的進行，在狀態B1中，5’結構域與剩餘的Kre33模塊因子（Enp2/Bfr2/Lcp5）開始穩定的結合在90S上，進而形成完整的Kre33模塊。從狀態B1到B2和C，UtpC模塊開始穩定的結合在Central結構域上，而且在狀態C中招募核糖體蛋白eS27。在狀態C中，3’結構域中18S rRNA的h41和h42區域已經成熟，從而釋放組裝因子Utp30，同時招募核糖體蛋白eS19。由此看來18S rRNA的3’結構域 (major和minor) 最先穩定的結合成90S核糖體前體，隨後Central和5’結構域結合上來，從而形成穩定的Pre-A1 90S核糖體前體結構。進一步的生化實驗證明Kre33模塊指導了早期的5’結構域的整合。
該研究表明，與18S rRNA的轉錄順序相反，4個亞結構域組裝的順序是從3’端到5’端，同樣的現象也發生在60S大亞基的組裝過程【4】。細胞用此來檢查轉錄是否完全，由此可以保證核糖體RNA的正常摺疊，從而避免組裝異常而致病。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.molcel.2019.06.032
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2.J. Cheng, N. Kellner, O. Berninghausen, E. Hurt, R. Beckmann, 3.2-A-resolution structure of the 90S preribosome before A1 pre-rRNA cleavage. Nature structural & molecular biology 24, 954-964 (2017).
3.J. Bassler, E. Hurt, Eukaryotic Ribosome Assembly. Annual review of biochemistry 88, 281-306 (2019).
4.L. Kater et al., Visualizing the Assembly Pathway of Nucleolar Pre-60S Ribosomes. Cell 171, 1599-1610 e1514 (2017).
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