Science | 核糖体“休眠”之谜揭开：RNA扩展段驱动应激下的翻译调控

在细胞面临营养缺乏或环境压力时，蛋白质合成会迅速下调以节约能量，这是细胞生存的重要策略。核糖体作为蛋白质合成的核心机器，其结构与功能在进化上高度保守。然而，相较于细菌通过形成“休眠二聚体”来保护核糖体的机制，动物细胞如何应对压力并保存其核糖体种群一直是个谜。尽管早在上世纪60年代就观察到核糖体之间存在相互作用，但其分子机制和生理意义始终未明。

近日，发表在《Science》杂志上的一项研究中，马克斯·普朗克脑研究所的Erin M. Schuman团队完成了题为《Ribosomal RNA expansion segments mediate the oligomerization of inactive animal ribosomes》的研究。该研究通过细胞生物学、生物化学和原位冷冻电子断层扫描技术，揭示了动物细胞在应激状态下，通过核糖体RNA中的扩展段介导非活性核糖体形成二聚体的全新机制。

研究人员首先发现，在大鼠神经元和胶质瘤细胞中，营养剥夺或药物处理导致蛋白质合成下降的同时，会诱导一个明显的二核糖体峰出现。进一步的生化分析表明，这些二核糖体既非活跃翻译中的核糖体对，也非碰撞核糖体，而是处于一种非活性的“休眠”状态。通过多糖体图谱分析，团队确认了这种应激诱导的二聚体在多个物种的细胞中普遍存在。

利用原位冷冻电子断层扫描技术，团队在对照和营养剥夺的大鼠神经元中解析了核糖体的高分辨率结构。通过对约16.9万个核糖体颗粒进行分类，他们发现对照条件下大部分核糖体处于活跃翻译状态，而应激后绝大多数核糖体进入三种不同的休眠状态。更重要的是，三维重构显示这些休眠核糖体通过大亚基的背面相互连接，形成一种独特的背对背二聚体结构，这与通过小亚基相互作用的翻译中或碰撞二聚体截然不同。

结构分析精确定位了核糖体间的相互作用位点——28S rRNA上的真核生物特异性扩展段ES31Lb。该片段形成一个发卡结构，其环部含有自我互补的CGCGCG序列，预测可通过“kissing loop”机制发生同源二聚化。体外RNA凝胶迁移实验证实，大鼠ES31Lb RNA发卡在镁离子存在下确实能形成二聚体，而突变环部关键碱基则破坏该相互作用，从而在分子水平上验证了这一预测。

为验证ES31Lb在细胞内的功能，团队开展了必要性及充分性实验。向细胞裂解液中加入竞争性ES31Lb RNA发卡，可有效阻断二核糖体的形成，证明其必要性。进一步地，将大鼠ES31Lb序列导入本身不形成二核糖体的酵母中，成功赋予了酵母在应激条件下形成二核糖体的能力。冷冻电子断层扫描显示，这种工程化酵母在应激后形成的二聚体结构与在大鼠神经元中观察到的一模一样，充分证明ES31Lb足以驱动二聚化。

研究还探索了二核糖体形成的调控与功能。镁离子浓度实验表明，较高的镁离子浓度促进二聚体形成，而应激导致的细胞内镁离子升高恰好与二聚体增加同步；恢复营养后，镁离子下降伴随二聚体解离和多核糖体回升。通过稳定表达竞争性ES31Lb RNA抑制二聚体形成，导致胶质瘤细胞增殖减慢、应激后死亡增加，表明二核糖体形成赋予细胞生长优势和更强的应激抵抗能力。

最后，团队对483种脊索动物的ES31Lb序列进行系统分析，发现约17%的物种（包括部分人类rRNA变体）的ES31Lb被预测可发生同源二聚。体外实验和细胞实验证实，预测可相互作用的物种在应激后出现二核糖体，而预测无相互作用的物种则无此现象。尤为引人注目的是，经典的低温柔鸡胚四核糖体结构，正是通过ES31Lb与另一扩展段ES9La的异型相互作用介导的，揭示了扩展段介导的高级寡聚化形式在动物界的广泛存在。

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