Nature | 真核生物如何避免翻译中核糖体转位引发的潜在移码问题？

撰文 | Qi

蛋白质准确合成的关键在于mRNA和tRNA必须通过核糖体的快速转位以将翻译阅读框推进一个密码子，移动出错将会引起后续密码子的错误读取。基于X射线晶体学和冷冻电镜进行的分析已揭示许多细菌核糖体易位复合物的结构【1-3】，然而，真核生物80S核糖体的复杂性较高，其分子量比原核生物高约40%，此外，越来越多的遗传和生化研究报告表明真核翻译装置在很大程度上依赖于rRNA和tRNA的独特转录后修饰【4, 5】。真核生物如何在确保弱密码子-反密码子相互作用的同时避免移码问题呢？

之前的工作指出，GTP 结合真核翻译延伸因子2 （eEF2） 对于核糖体转位而言必不可少。eEF2和古细菌aEF2均包含一个严格保守的的翻译后修饰组氨酸 （diphthamide，双硫酰胺）【6】。最近的一项针对酿酒酵母核糖体转位中间体 （TI） 的晶体结构分析表明，eEF2的结构域IV和diphthamide在转位的早期状态与密码子-反密码子双链体的稳定性维持有关【7】。然而，diphthamide在其他阶段的作用仍然未知。

近日，来自法国斯特拉斯堡大学的Gulnara Yusupova团队在Nature杂志上发表了一篇题为mRNA reading frame maintenance during eukaryotic ribosome translocation的文章，他们通过解析与由mRNA、肽酰tRNA和脱酰tRNA组成的完整转位模块结合的真核酿酒酵母核糖体的10个高分辨率冷冻电镜结构（高达1.97 Å），揭示了确保真核生物准确翻译的复杂相互作用网络。

为了可视化真核80S核糖体转位过程中的中间体（TIs），该团队在体外制备酿酒酵母80S核糖体复合物，在不同组别的反应中分别加入eEF2抑制剂sodarin和不可水解的GTP类似物GMPPCP，并对各组进行冷冻电镜分析，以获取不同条件下与mRNA-tRNA 2 模块结合的80S核糖体的不同复合物的结构。 通过对不同阶段TIs的分析，发现在没有GTP水解或sodarin存在的情况下，转位无法完全完成，尽管观察到eEF2在从TI-2到TI-5的过渡过程中从80S逐渐解离，但其结构域IV和肽酰tRNA之间的接触仍然存在，对维持密码子-反密码子双链体完整性的维持直至转位的最后阶段。 需要注意的是，他们发现eEF2结构域IV中经翻译后修饰的diphthamide通过施加空间约束，不仅可以稳定正确的密码子-反密码子相互作用，还可以通过探测密码子-反密码子双链体的小沟识别错误匹配的肽酰tRNA，这种防止转位过程中掺入错误氨基酸的额外校对机制有助于提高真核生物中蛋白质合成的准确性。

在这项研究中，该团队还提出了sodarin抑制转位的可能机制，通过结构分析发现sodarin可以从早期的TI-1开始与核糖体相关的eEF2结合，但通过对早晚期TI的eEF2对比发现sodarin的存在对eEF2的整体构象没有实质性影响，允许组装体到达晚期TI-5状态，在此时，sodarin可能通过阻止eEF2结构域III重塑和最终与核糖体的解离使eEF2停滞于80S核糖体上。

与原核生物相比，真核翻译系统具有更复杂、更精细的维持机制，广泛的真核生物特异性rRNA和tRNA转录后修饰系统，与eEF2及其独特的翻译后修饰共同保障蛋白质合成的准确性。在未来需要进一步的结构研究，例如时间分辨冷冻电镜，以提供对事件发生精确时间的充分理解。

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06780-4

参考文献

1. Zhou, J., Lancaster, L., Donohue, J. P. & Noller, H. F. How the ribosome hands the A-site tRNA to the P site during EF-G-catalyzed translocation.Science345, 1188–1191 (2014).

2. Zhou, J., Lancaster, L., Donohue, J. P. & Noller, H. F. Crystal structures of EF-G-ribosome complexes trapped in intermediate states of translocation.Science340, 1236086 (2013).

3. Ramrath, D. J. et al. Visualization of two transfer RNAs trapped in transit during elongation factor G-mediated translocation.Proc. Natl Acad. Sci. USA110, 20964–20969 (2013).

4. Melnikov, S. et al. One core, two shells: bacterial and eukaryotic ribosomes.Nat. Struct. Mol. Biol.19, 560–567 (2012).

5. Budkevich, T. V. et al. Regulation of the mammalian elongation cycle by subunit rolling: a eukaryotic-specific ribosome rearrangement.Cell158, 121–131 (2014).

6. Liu, S. et al. Diphthamide modification on eukaryotic elongation factor 2 is needed to assure fidelity of mRNA translation and mouse development.Proc. Natl Acad. Sci. USA109, 13817–13822 (2012).

7. Djumagulov, M. et al. Accuracy mechanism of eukaryotic ribosome translocation.Nature600, 543–546 (2021).

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