Science | 核糖体小亚基加工体高分辨率结构解析

撰文丨十一月

人类核糖体的生物合成依赖于超过200个核糖体组装因子，这些组装因子帮助转录、RNA折叠以及对核糖体前体RNA进行加工和修饰，同时也将80个核糖体蛋白引入40S核糖体小亚基和60S核糖体大亚基之中。人类小亚基加工体（Processome）通过将RNA折叠以及随后的RNA切割和加工步骤结合，介导了小核糖体亚基的早期成熟【1】。核糖体大小亚基都是由核糖体RNA和核糖体蛋白质组成，这些生物大分子的组装受到严格的控制。在组装过程中会形成一个稳定的真核核糖体小亚基组装中间体，被称为小亚基加工体（Small subunit processome，SSUprocessome）。但是一直以来，SSU加工体在核仁中的结构、功能以及成熟过程尚不清楚，因为其中存在的组分繁多且存在不同的状态转变。

为了对SSU加工体在核糖体亚基组装过程中的组分以及状态变化进行揭示，美国洛克菲勒大学Sebastian Klinge研究组与Arnaud Vanden Broeck研究组合作在Science发文题为Nucleolar maturation of the human small subunit processome，利用冷冻电镜对SSU加工体的不同状态进行了高分辨率的揭示，补充了核糖体亚基组装过程中蛋白质复合物结构分辨率不足的缺陷。

核糖体组装起始于核仁，核仁是一种通过多价蛋白质以及核酸相互作用形成的大分子生物凝聚体【2】。小亚基组装中间体SSU加工体是形成的第一个稳定的组装中间体，随后在多种因子的作用下导致RNA折叠、修饰、重排和切割，与人类疾病相关的核糖体蛋白和核糖体装配因子说明了这一过程被精确、稳健调控的重要性。核糖体小亚基前体形成过程中包括关键的5’转录间隔区（5’ external transcribed spacer,5’ETS），5’ETS在核糖体组装的初始阶段起着关键作用，在此阶段其协调组装因子的募集，并为小亚基中间体的早期组装提供了结构蓝图【3】。先前已有研究对酵母小亚基加工体的逐步组装已有一定的了解【4】，但是囿于分辨率的限制，对小亚基加工体的组装过程的了解还很粗糙。因此，核糖体组装的小亚基加工体的成熟过程、参与其中的关键酶的控制机制仍然不甚清楚。

为此，作者们希望进一步拓展核糖体小亚基组装过程中的结构生物学分辨率。该过程重建的一大难点在于如何获得所有的内源性组分，为了克服这一挑战，作者们开发了一个人类基因组编辑平台，利用CRISPR-Cas9基因编辑技术与流式分选细胞表面表位的方式相结合分离编辑后的细胞。使用该基因编辑方式，可以对内源人核糖体组装因子NOC4L进行双标记，从而可以作为后续纯化的诱饵蛋白。随后，作者们建立了一个顺序提取实验方法，可以在蛋白提取的最后一步释放含有NOC4L的核糖体组装中间体。

图1 人类小亚基加工体成熟过程

由此，作者们得到了小亚基加工体成熟过程三种不同状态蛋白质复合体结构（图1）。核糖体小亚基组装加工体的三个不同状态分别称为pre-A1状态、pre-A1*状态以及post-A1状态，三种状态的分辨率分别为3.6、3.9和2.7 埃。该低温冷冻电镜结果揭开了小亚基加工体的成熟过程的不同因子的招募时序以及具体分子机制。

小亚基加工体的最初pre-A1状态是通过核糖体装配因子的协同相互作用而实现的，这些因子控制着核糖体装配步骤的不可逆推进，5’转录间隔区被小亚基加工体识别，通过合成的人类核糖体DNA位点，作者们发现了一个最小转录间隔区，可以促进人类细胞中产生成熟的小核糖体亚单位。当从pre-A1状态、pre-A1*状态到post-A1状态时会发生一些结构构象的转变，DEAH-Box解旋酶DHX37被招募到小亚基加工体之中，其解旋酶活性被严格调控的，防止RNA伴侣U3的核糖体前RNA过早展开。进一步的，作者们对人类小亚基加工体post-A1状态对人类疾病的指导意义进行解析，AROS在DBA贫血又称为先天性纯红细胞再生障碍性贫血突变最多，从而揭开了核糖体组装因子AROS稳定核糖体蛋白的机制。

总的来说，该工作展示了人类小亚基加工体复合物高分辨电镜结构，揭示了该结构在组装过程中的可塑性以及不同组装阶段的变化，同时通过对疾病相关的核糖体组装因子突变对小亚基加工体复合物的影响，为小亚基加工体的组装过程、致病机理等方面提供了更为精细的理解。

参考文献

1 Bohnsack, K. E. & Bohnsack, M. T. Uncovering the assembly pathway of human ribosomes and its emerging links to disease.The EMBO journal38, e100278, doi:10.15252/embj.2018100278 (2019).

2 Lafontaine, D. L. J., Riback, J. A., Bascetin, R. & Brangwynne, C. P. The nucleolus as a multiphase liquid condensate. Nature reviews.Molecular cell biology22, 165-182, doi:10.1038/s41580-020-0272-6 (2021).

3 Hunziker, M. et al. Conformational switches control early maturation of the eukaryotic small ribosomal subunit.eLife8, doi:10.7554/eLife.45185 (2019).

4 Zhang, L., Wu, C., Cai, G., Chen, S. & Ye, K. Stepwise and dynamic assembly of the earliest precursors of small ribosomal subunits in yeast.Genes & development30, 718-732, doi:10.1101/gad.274688.115 (2016).

原文链接：

https://doi.org/10.1126/science.abj5338