Science：揭示人类核糖体小亚基加工体在核仁中的成熟机制

2021年9月13日讯/生物谷BIOON/---核糖体通过将核糖体小亚基对信使RNA的解码与核糖体大亚基形成肽键结合在一起，从而在所有细胞中催化蛋白质的合成。由于这两个亚基都由核糖体RNA（rRNA）和核糖体蛋白组成，这种分子机器的组装受到严格的控制。在人类细胞中，200多个核糖体组装因子催化了这两个核糖体亚基的成熟。核糖体组装在核仁中启动，其中核仁是通过多价蛋白质-核酸相互作用形成的生物分子凝聚物。在这个生物分子凝聚物内，形成了第一个稳定的真核生物核糖体小亚基组装中间物---小亚基（SSU）加工体（processome）。在SSU加工体内，70多个蛋白质和一种RNA伴侣，即小核仁核酸（snoRNA）U3，协同工作以实现RNA的折叠、修饰、重排和切割，以及RNA外切体对前体rRNA的靶向降解。与人类疾病有关的核糖体蛋白和核糖体组装因子的突变突出了这一过程的基本性质。

在核仁中的人类SSU加工体的结构、功能和成熟方面知之甚少，因为它通过不同的状态来组装核糖体小亚基。前核糖体颗粒（preribosomal particle）保留在核仁的生物分子凝聚物中，在此之前，人们一直无法对其进行生化和结构表征。为了阐明人类SSU加工体的核小体成熟，从核仁中分离出这些前核糖体颗粒因此是一个关键的障碍。为此，在一项新的研究中，来自美国美国洛克菲勒大学的研究人员开发出一个人类基因组编辑平台，对内源性的SSU加工体进行双等位基因亲和标记，并建立了从核仁中分离它的生化程序，以便进行结构研究。相关研究结果发表在2021年9月10日的Science期刊上，论文标题为“Nucleolar maturation of the human small subunit processome”。

这些作者在3.6、3.9和2.7埃的分辨率下，分别获得了人类SSU加工体的三种不同状态（表示为pre-A1、pre-A1*和post-A1）的低温电镜（cryo-EM）结构。这些结构共同揭示了负责核SSU加工体成熟过程的分子机制。复杂的调节层次是通过控制核糖体组装的不可逆步骤的核糖体组装因子的协同作用来实现的，如RNA外切体的RNA加工、DEAH-box螺旋酶DHX37（酵母中的Dhr1）的RNA解旋和内切酶UTP24的RNA切割。

最早的状态，pre-A1，强调了只有一个大的前体rRNA片段的一小部分，即5'外转录间隔区（5' external transcribed spacer, 5'ETS），如何被SSU加工体识别。这些作者产生了一个合成的人类核糖体DNA（rDNA）基因座，能够在人类细胞中生产重组核糖体。通过对这个rDNA基因座进行衍生，他们确定了一个最小的可以在人类细胞中产生成熟的核糖体小亚基的5′ETS。当SSU加工体从pre-A1和pre-A1*状态过渡到post-A1时，产生了RNA外切体相关的核糖核酸外切酶EXOSC10（酵母中的Rrp6）的特异性结合位点。在post-A1状态下，DEAH-box螺旋酶DHX37被招募，其螺旋酶活性必须受到严格的调节，以防止前体rRNA过早地从RNA伴侣U3中解开。

人SSU加工体在核仁中成熟的示意图，图片来自Science, 2021, doi:10.1126/science.abj5338。

通过结合X射线晶体学和低温电镜，这些作者展示了DHX37最初是自抑制的，并通过精确编排的相互作用在SSU加工体上受到严格控制，这种相互作用决定了结合点的可用性和核糖体组装因子UTP14激活肽的可及性。在SSU加工体的核心中，他们确定了一个蛋白质网络，该蛋白质网络引导在A1位点进行切割，从而产生核糖体小亚基RNA的成熟端。最后，人类SSU加工体在post-A1状态下的结构提供了对人类疾病的进一步了解，显示了哺乳动物特异性核糖体组装因子AROS如何让核糖体蛋白eS19保持稳定，其中蛋白eS19在先天性纯红细胞再生障碍性贫血（Diamond-Blackfan anemia）中发生了最大量的突变。

综上所述，这项研究介绍的三个人类SSU加工体复合物的低温电镜结构揭示了人类SSU加工体的结构可塑性，这使得它具有协调核糖体组装不同阶段的构象变化的能力。将低温电镜、X射线晶体学和功能数据结合在一起，可作为人类SSU加工体在机制上的理解框架。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Sameer Singh et al. Nucleolar maturation of the human small subunit processome. Science, 2021, doi:10.1126/science.abj5338.