Cell | 雷鸣组揭示人源核糖核酸酶P的分子机制

撰文 | 小白薯

责编 | 迦溆

蛋白质是由mRNA经过核糖体翻译过来的，而这个过程的“原料”——氨基酸——是由转运RNA（tRNA）携带进入核糖体的。所以，tRNA作为生命体中遗传信息的传递者，在这个过程中扮演着非常重要的角色。tRNA首先是以pre-tRNA的形式被转录出来，转录生成的tRNA前体需要经历一系列的加工才能最终成熟。其中，pre-tRNA的5’前导序列的切割是由一类必需的核糖核酸酶（RNase）P完成的。

RNase P是一种普遍存在的核酸内切酶，由一种催化RNA和可变数量的蛋白质组分组成，可从pre-tRNA中切割50个前导序列【1,2】。RNase P保守存在于古菌、原核生物和真核生物中，目前已发现的蛋白组分在细菌中有一种，古细菌中五种，真核中有九至十种【3】。人源RNase P是一种大的核糖核蛋白复合物，含有10种蛋白质成分和一条催化性长链非编码RNA。作为少数的且最重要的核酶之一，了解RNase P的底物识别和分子催化机制至关重要。此前的RNase P分子机制研究主要停留在原核和低等真核生物研究水平【4-6】。

继今年9月份Science杂志刊文揭示了酵母RNase P的工作机理后（Science | 雷鸣团队等首次揭示真核生物tRNA前体5’端加工成熟机制）【6】，上海交大附属九院雷鸣团队于北京时间10月26日在Cell杂志发表了题为Cryo-EM Structure of the Human Ribonuclease P Holoenzyme的研究论文，第一次揭示了高分辨率的人源RNase P 的复合物结构，对tRNA底物识别和加工的分子机制提供了新的见解。

在该工作中，雷鸣团队成功从Expi293F细胞中提取出人源RNase P复合物，并利用冷冻电镜单颗粒重构技术（Cryo-EM），解析了人源RNase P单独和与底物tRNAVal结合复合物的近原子分辨率结构（分别为3.9和 3.7 Å，图1）。人源RNase P通过protein-RNA和RNA-RNA相互作用使用“双锚定”（double anchor）的机制来识别底物tRNA。通过apo和tRNA结合复合物的结构比较，揭示了tRNA的结合诱导了酶催化中心一个大的构象变化，使该酶从失活转化到活性状态的分子机制。

图1. 人源RNase P分子模型

更为重要的是，该研究结果提供了一个进化模型—通过从原核到古菌的比较，在从古菌到真核生物RNase P的比较，系统的阐述了RNase P经历的进化过程（图2），描述了细菌RNase P中的辅助RNA元件是如何逐步退化，被高等生物中更复杂和多功能的蛋白质成分所取代的分子模型。这对于核酶的底物结合和催化作用机制至关重要，是核酶和RNA结构生物学的又一突破。

图2. 原核、古菌和真核RNase P复合物进化模型

上海交通大学医学院附属第九人民医院精准医学研究院武健研究员，雷鸣课题组牛双双硕士及谭明博士为文章的共同第一作者；精准医学研究院雷鸣研究员与兰鹏飞助理研究员为该论文的通讯作者。

参考文献

1. Guerrier-Takada, C., Gardiner, K., Marsh, T., Pace, N. & Altman, S. The RNA moiety of ribonuclease P is the catalytic subunit of the enzyme.Cell35, 849-857 (1983).

2. Altman, S. & Kirsebom, L. Ribonuclease P.COLD SPRING HARBOR MONOGRAPH SERIES37, 351-380 (1999).

3. Esakova, O. & Krasilnikov, A. S. Of proteins and RNA: the RNase P/MRP family.Rna(2010).

4. Reiter, N. J. et al.Structure of a bacterial ribonuclease P holoenzyme in complex with tRNA.Nature468, 784 (2010).

5. Hipp, K., Galani, K., Batisse, C., Prinz, S. & Böttcher, B. Modular architecture of eukaryotic RNase P and RNase MRP revealed by electron microscopy.Nucleic acids research40, 3275-3288 (2011).

6. Lan, P. et al.Structural insight into precursor tRNA processing by yeast ribonuclease P.Science, eaat6678 (2018).