Nature | 揭秘mRNA核孔穿越的分子导航之旅

撰文 |咸姐

在真核细胞中，基因表达不仅涉及转录调控，还包括将成熟的mRNA从细胞核运输到细胞质中进行翻译的过程。 新转录的mRNA会与多种蛋白质结合，形成mRNA核糖核蛋白复合物（mRNP） ，为确保基因组的完整性和翻译的准确性，细胞必须区分成熟mRNA与异常RNA，仅允许正确加工的mRNP通过核孔通道。 此前的研究已知，转录-输出复合物（TREX）会识别并结合这些成熟的mRNP，为其贴上“准予出口”的标签，并在此过程中帮助mRNA完成包装，以防止形成有害的R环结构，维护基因组完整性。然而，与TREX结合的mRNP并不能直接出核，它必须经历一个关键的“重塑”过程：首先，TREX复合物需要从mRNP上解离；接着，重塑后的、具备输出能力的mRNP才能被招募至核孔复合物（NPC） ，并在mRNA输出因子（NXF1–NXT1）的帮助下穿越核孔【1-3】。尽管这些参与mRNA输出的核心因子早在数十年前已被发现，但关于mRNP如何被精确重塑、又如何被递送并穿越NPC的详细分子机制，一直是领域内悬而未决的核心问题。

近日，来自奥地利维也纳生物中心的Clemens Plaschka团队在Nature上在线发表题为An ATP-gated molecular switch orchestrates human messenger RNA export的文章，揭示了ATP酶DDX39/UAP56作为核心分子开关，通过ATP依赖的mRNA“钳制”循环，有序调控mRNP从TREX复合物的组装与解离，到TREX-2介导的核孔对接，最终实现mRNA释放的完整分子机制。该研究整合生物化学、结构生物学和细胞生物学技术，建立了迄今为止最完整的人类mRNA核输出模型,并明确了关键mRNA出核蛋白及其复合物的分子功能, 首次提供了一个将mRNA生物生成与核孔转运在分子功能上串联起来的统一框架。

在人体中，TREX复合体由一个六亚基THO复合体的四聚体构成——每个THO复合体包含THOC1、THOC2、THOC3、THOC5、THOC6和THOC7亚基，同时整合了四个DDX39/UAP56分子（后文统称UAP56；其在酵母中的同源物为Sub2）以及多种mRNA输出衔接蛋白（如ALYREF）。本文研究人员通过重新分析已发表的冷冻电镜结构图并结合AlphaFold2预测，发现并证实了mRNA输出衔接蛋白ALYREF不仅通过其C端UAP56结合基序（UBM）与UAP56的RecA1结构域结合，其N端也存在一个此前未被充分认识的UAP56结合基序，该N-UBM以一种独特的结合模式结合于UAP56的RecA2结构域上。这一发现得益于对重构的微型TREX–mRNP复合物进行的高分辨率（4.1 Å）冷冻电镜结构解析，从而能够明确地将ALYREF的N-UBM定位于UAP56的RecA2结构域。突变UAP56上任何一个UBM结合位点都会特异性废除其与相应肽段的结合，而在K562细胞中引入这些突变则会导致严重的生长缺陷。这些研究结果共同确立了UAP56是连接THO复合物与ALYREF所结合mRNP的唯一桥梁蛋白，其与ALYREF形成的独特复合表面为后续mRNA的输出过程奠定了基础。

与此同时，研究人员通过光栅耦合干涉测量技术发现，当UAP56在ATP和RNA存在下形成RNA钳制构象（即处于ADP-Pi结合状态）后，其与THO复合物的结合亲和力变得无法检测，而在仅存在ATP或RNA时则不影响结合，这表明UAP56的RNA钳制是触发TREX解离的关键机制。RNA钳制后的UAP56–ADP-Pi–RNA复合物在尺寸排阻色谱中表现稳定，而阻止ATP水解和RNA结合的UAP56 DExD-box基序突变体在酵母和人类细胞中均引起mRNA输出缺陷和细胞存活率下降。 值得注意的是， 实验观察到重组THO–UAP56复合物在加入ATP和RNA后解离效率不高，这暗示天然多价TREX–mRNP的有效解离可能需要除UAP56 RNA钳制之外的其他因子协助。

随后，通过比较内源性TREX–mRNP的蛋白质组成与核内UAP56相互作用蛋白组，并结合AlphaFold2 Multimer预测，研究人员鉴定出SARNP是一个直接与UAP56 RecA2结构域结合的TREX解组装因子。研究发现，人类SARNP包含五个可与UAP56结合的“UAP56钳制基序”（UCM），其结合位点与ALYREF的N-UBM相邻并可协同结合，从而在结构上会与THOC2发生空间冲突，阻止UAP56重新与THO结合。实验结果显示，SARNP UCM与ALYREF N-UBM的融合肽段能最有效地促进UAP56从THO复合物上解离，而细胞中急性降解SARNP并不影响UAP56与ALYREF或THO的相互作用水平，证明SARNP是一个通过多价、协同作用辅助TREX–mRNP高效解组装的关键因子。研究人员还发现，SARNP和UAP56的mRNA钳制作用不仅促进了其从THO复合物上的释放，还共同起到了稳定UAP56–mRNP复合物的作用，从而可能决定mRNP后续的命运，例如其在NPC上的停靠。

进一步地，研究人员发现，锚定在NPC上的TREX-2复合物（其亚基GANP和PCID2）是UAP56的新型互作因子，UAP56可能通过与TREX-2的相互作用，促进其结合的mRNP停靠至NPC，而TREX-2随后可能对UAP56–mRNP复合物进行重塑。实验结果显示，UAP56的RecA1结构域嵌入由GANP和PCID2形成的“V”形结构中，而其保守的非结构化的N端结构域（NTD）通过两个新界面对接在TREX-2的GANP和PCID2亚基之间，缺失该结构域会使UAP56与TREX-2的亲和力下降超过十倍，而分离的NTD肽段足以直接结合TREX-2。同时，破坏UAP56 NTD或RecA1上与PCID2互作的残基会显著削弱其促进mRNA输出的能力，且截短UAP56 NTD会导致严重的细胞生长缺陷。在PCID2突变体的拯救实验中，破坏其与UAP56 NTD互作界面的突变是致死的且削弱了与细胞内UAP56的结合，而且在PCID2或GANP降解细胞中破坏UAP56 NTD–PCID2界面会导致核内mRNA积累及输出阻滞。这些数据表明UAP56与锚定在NPC上的TREX-2复合物之间的相互作用，对于mRNA的核输出至关重要。在细胞内，mRNP上多个UAP56分子与NPC上多个TREX-2复合物之间可能通过多价相互作用，进一步增强了mRNP在核孔处的有效停靠，这得益于NPC的八重对称结构。更重要的是，研究结果还显示，TREX-2不仅是UAP56–mRNP在核孔的停靠点，也是触发UAP56从mRNA上解离的关键位点。对UAP56–TREX-2的冷冻电镜结构解析发现，UAP56并未处于RNA钳制状态，其RecA1结构域被一个在结合后才变得有序的GANP“楔形”环所占据；该环上的保守残基R678取代了RNA钳制状态下本应由UAP56 RecA2结构域上F381占据的位置，从而在空间上阻碍了RNA的结合。功能实验则证实了这一点，REX-2能有效地将UAP56从其稳定的ADP-Pi–RNA复合物上解离下来，而THO复合物则无此功能。

基于以上发现，研究人员提出了一个由UAP56作为核心分子开关的五步mRNA出核通用模型（图1）：

（I）mRNA转录成熟后，ALYREF等衔接蛋白通过识别mRNP上的蛋白质标记启动mRNP组装；
（II）mRNP表面高密度的UBM基序招募由四个UAP56分子介导的四聚体THO复合物，形成TREX–mRNP以完成mRNA包装；
（III）UAP56在ATP存在下钳制mRNA，并在SARNP协同作用下与THO解离，形成稳定的UAP56–ADP-Pi–mRNP；
（IV）该复合物通过UAP56与核孔锚定的TREX-2相互作用实现停靠；
（V）TREX-2通过其GANP亚基的楔形环触发UAP56从mRNA解离，将mRNP交由NXF1-NXT1完成核质转运。

总之，本研究揭示了mRNA选择性且高效核输出的分子机制框架，以及控制各个步骤的保守蛋白和复合物的分子功能。同时阐明该通路的核心是UAP56蛋白，它作为ATP门控的分子开关，主导着mRNA的核输出过程。

图1

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09832-z

制版人： 十一

参考文献

1. Köhler, A. & Hurt, E. Exporting RNA from the nucleus to the cytoplasm.Nat Rev Mol Cell Biol8, 761–773 (2007).

2. Pacheco-Fiallos, B. et al. mRNA recognition and packaging by the human transcription–export complex.Nature616, 828–835 (2023).

3. Sträßer, K. et al. TREX is a conserved complex coupling transcription with messenger RNA export.Nature417, 304–308 (2002).

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