Cell：从结构上揭示人核外切体靶向复合物的RNA监测机制

在生物学中，清除东西可能与制造东西一样重要。细胞、蛋白或其他不再需要的分子的堆积会导致问题，因此生物已经进化出几种清理它们的方法。

一个典型的例子是RNA外切体（exosome，注意是外切体，而不是外泌体，虽然这两者的英文单词都是一样的）。RNA分子在细胞中发挥许多作用。它们中的一些被翻译成蛋白；另一些形成了细胞的蛋白构建复合物。RNA外切体是一种细胞分子机器，可以降解有问题、有害或不再需要的RNA分子。如果没有这种微小的分子机器来修剪那些不能激发快乐的东西，我们的细胞将成为功能失调的囤积者，无法发挥作用。

纪念斯隆-凯特琳癌症中心结构生物学项目主席Christopher Lima博士解释说，“RNA监控和降解途径存在于所有的生命形式中。从细菌到人类，所有生物都有监测RNA质量和有目的地降解RNA的机制。”

Lima博士说，在很长一段时间里，这些途径被认为像家务劳动一样，有点无聊。但事实证明，这些降解途径受到高度监管，控制着从胚胎发育到细胞周期进展的一切。更重要的是，这些途径中的错误可以导致许多类型的疾病，从癌症到神经变性。

在一项新的研究中，Lima博士和Lima实验室博士后研究员M. Rhyan Puno提出了有助于解释RNA外切体如何定位需要被降解的RNA的研究结果。在低温电镜（cryo-EM）---一种先进的成像技术---的帮助下，他们能够破译一种名为人核外切体靶向（Nuclear Exosome Targeting, NEXT）复合物的蛋白组装体的结构，这种蛋白组装体是这种降解机制的一个关键部分。相关研究结果发表在2022年6月9日的Cell期刊上，论文标题为“Structural basis for RNA surveillance by the human nuclear exosome targeting (NEXT) complex”。

Puno博士说，“我们已知道NEXT复合物靶向递送RNA到RNA外切体，但从生化和结构上看，我们并不知道它是什么样子的，也不知道它是如何起作用的。”

如今，通过低温电镜，他们获得了NEXT与RNA结合在一起的第一批清晰图片。这些图片，与伴随的生物化学和生物学实验一起，为RNA分子如何被递送给RNA外切体进行降解提供了新线索。

逐渐接近NEXT的结构

几年前，Puno博士开始使用当时的金标准方法---X射线晶体学衍射---研究NEXT的结构。在这种方法中，首先将蛋白制成晶体，使其以相同的方式排列。然后，让X射线穿过晶体，击中探测器的X射线模式经解释后可确定蛋白的结构。

虽然Puno博士能够将NEXT进行结晶，但由此产生的X射线衍射图片并不足以看到它的结构的细节。

他说，“但后来出现了低温电镜革命。低温电镜帮助我们看到了NEXT的样子以及它如何结合它的RNA底物。”

观察运动中的蛋白

低温电镜的工作原理是捕捉冷冻但非结晶的蛋白样本的许多不同图像，然后使用计算方法将它们排列成最终的清晰图像。

Lima博士说，“这几乎就像捕捉一只飞行中的鸟的一堆照片。因为有各种混乱的动作，鸟的翅膀可能看起来很模糊。但如果我们能在所有这些不同的照片中找到翅膀的部分，那么我们就能将这些照片对齐，以重建鸟类的翅膀是什么样子，并确定它们是如何起作用的。”

从这些低温电镜图片中，他们能够看到NEXT蛋白形成了一种非常灵活的二聚体---这意味着NEXT蛋白的两个拷贝作为一个功能单元连接在一起。

Puno博士说，“这真地非常、非常令人费解”。他指出，二聚体的形成在以前还没有对这些类型的蛋白进行过可视化观察。

图片来自Cell, 2022, doi:10.1016/j.cell.2022.04.016。

他继续说，“从我们进行的生化实验中，我们知道二聚体化对降解有一定的重要性。但对我们来说，这种二聚体在引导RNA到RNA外切体中起什么作用仍然是个谜。”

为了帮助解开这个谜团，他们希望在降解过程的不同步骤中捕捉到NEXT复合物的相互作用，然后用低温电镜将这些构象进行可视化观察。

RNA降解和疾病

这其中有很大的利害关系。RNA降解有多重要，从一长串因降解缺陷或控制不当而导致的疾病中可以看出。也许最有名的例子是囊性纤维化。在这种疾病中，编码一种在细胞膜上运送离子的蛋白的mRNA被RNA降解途径所降解。因此，这种蛋白不存在于肺部粘膜中，这导致那里的粘液堆积，并导致严重的呼吸障碍。

Lima博士说，“这是RNA质量控制导致不良结果的一个著名例子。”但RNA降解途径的缺陷也在几种类型的癌症中起作用。事实上，在纪念斯隆-凯特琳癌症中心的基因测试平台MSK-IMPACT中检测到的两种基因突变是在与RNA外切体途径相关的基因---包括NEXT复合物中的一种蛋白---中发现的。

Lima博士解释说，不仅是mRNA需要适当的质量控制。“现实是，如果你的RNA质量控制途径有缺陷，你的核糖体不工作，你的tRNA不工作，你的剪接体不工作。”这样的例子不胜枚举。RNA所执行的功能的广度解释了为什么有缺陷的RNA降解途径可以产生如此连环的致病影响。

理解这些影响将需要更深入、更广泛地了解不仅是RNA外切体本身，而且还有帮助监视RNA并决定何时RNA有缺陷或不再需要的“上游”蛋白，比如NEXT。

Lima博士说，“我们的梦想是启动RNA降解反应，将样本放入低温电镜中，并在它的工作过程中通过观察进行所有可能的确认。作为结构生物学家，我们希望能够看到实际的过程，然后能够重新组装它们。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

M. Rhyan Puno et al. Structural basis for RNA surveillance by the human nuclear exosome targeting (NEXT) complex. Cell, 2022, doi:10.1016/j.cell.2022.04.016.