科學家從結構上揭示酵母核糖核酸酶P加工tRNA前體機制

　　作為一種通用酶，核糖核酸酶P（RNase P）是一種通用核酶，已在生命的三個王國中發現。它加工tRNA前體（pre-tRNA）的5'端。RNase P是一種核糖核蛋白復合物，由單個具有催化能力的RNA組分和可變數量的蛋白組成。與僅含有一種小蛋白輔因子的細菌RNase P不同的是，古細菌RNase P和真核生物細胞核中的RNase P已進化出相當復雜的蛋白亞基：古細菌中有5種蛋白亞基，真核生物中有9～10種。這種tRNA前體加工反應可通過包括四個不同事件的動力學反應機制來加以描述：（1）RNase P (E)快速地和可逆地結合到pre-tRNA (S)上，從而形成一種初始的RNase P-pre-tRNA復合物（ES）；（2）一種構象變化讓這種ES復合物以一種鎂離子依賴性的方式發生異構化而產生一種具有催化能力的構象異構體（ES*）；（3）切割磷酸二酯鍵；（4）pre-tRNA的5'端前導序列快速解離下來，讓成熟tRNA限速釋放。

　　然而，盡管進行了廣泛的生物化學和遺傳學研究，但是對真核生物細胞核中的RNase P而言，它的蛋白組分的作用以及這些蛋白組分復雜性增加的原因仍然是未知的。仍然未知的是，作為底物的 tRNA前體，尤其是它的5'端前導序列，如何被真核生物RNase P識別；在催化上起著重要作用的鎂離子在活性位點中是如何配位的；什么化學機制是切割pre-tRNA 5'端的化學機制是什么。高分辨率的真核RNase P結構是解答這些關鍵問題所必需的。

圖片來自Science, doi:10.1126/science.aat6678。

　　在一項新的研究中，來自中國上海交通大學醫學院、中國科學院生物化學與細胞生物學研究所、中國科學院大學、中國科學院大連化學物理研究所、上海科技大學和中國科學技術大學等研究機構的研究人員報道了釀酒酵母RNase P全酶獨自時以及與pre-tRNAPhe結合在一起時的分辨率為3.5 ?的低溫電鏡結構。相關研究結果發表在2018年11月9日的Science期刊上，論文標題為“Structural insight into precursor tRNA processing by yeast ribonuclease P”。

　　這種酵母RNase P全酶由一個具有催化能力的RNA （即Rpr1）和9個蛋白組分組成。Rpr1 RNA采取一種延伸的單層構象。這種單層構象維持一種中央螺旋核心，但缺乏大多數讓細菌RNase P保持結構穩定性所必不可少的長程RNA-RNA相互作用。這些蛋白組分形成相互連接的鉤形結構，這種鉤形結構緊緊地纏繞在Rpr1 RNA的周圍，從而將酵母RNase P穩定為一種“測量設備（measuring device）”。這種“測量設備”具有兩個固定錨用于識別底物pre-tRNA的L形結構而不是特定序列。

　　這種“測量裝置”介導與pre-tRNA的初始結合以形成低親和力的ES復合物。對tRNA前體的5'端前導序列的識別涉及Rpr1 RNA和蛋白亞基Pop5。兩個在催化上起著重要作用的鎂離子在由Rpr1的高度保守性尿苷U93和磷酸骨架組成的催化中心中與pre-tRNA的易切割的磷酸根離子和O3'離去基團配位在一起。這種基于RNA的催化中心的構型在從細菌到真核生物的所有RNase P中都是普遍保守的。pre-tRNA結合誘導這種催化中心發生顯著的構象變化，這對應于產生ES *狀態的異構化步驟。此外，這些研究人員通過模擬分析可視化觀察到pre-tRNA的磷酸二酯鍵水解在機制上的細節，其中這種磷酸二酯鍵水解是一種由兩個鎂離子介導的雙分子親核取代反應（SN2 reaction）。

　　綜上所述，這項研究中解析出的酵母RNase P結構代表著在機制上理解真核生物RNase P的功能方面邁出的重要一步。這些數據支持所有的RNase P都具有一種基于RNA的底物誘導的pre-RNA加工機制。盡管細菌RNase P RNA本身具有催化活性，但是真核生物RNase P是一種受到蛋白控制的核酶，它的蛋白組分不僅直接參與底物識別，而且還讓具有催化作用的RNA穩定在一種最適合于pre-tRNA結合和裂解反應的構象中。