分辨率达2 Å的核糖体冷冻电镜结构学术资讯

来源：BioArt

撰文 | Leon

责编 | 雪月

核糖体是多肽合成的场所，科学家们常将其作为模型研究RNA结构和RNA-蛋白相互作用。核糖体也是许多小分子药物如抗生素的作用靶点。已有的核糖体晶体结构的分辨率不高（约3 Å），阻碍了相关药物的研发进展。随着技术的进步，高分辨率冷冻电镜正在挑战X射线晶体学在结构生物学的传统地位（详情请见BioArt报道：Cryo-EM 实现 1.25Å 分辨率，可视化单个原子以及化学修饰 | 被 Nature 翻牌的 bioRxiv ：cryo-EM 分辨率发展到原子级别）。

2020年6月26日，加州大学伯克利分校的Jamie Cate课题组在bioRxiv上传了题为Structure of the Bacterial Ribosome at 2 Å Resolution的论文，用冷冻电镜（cryo-EM）解析了大肠杆菌70S核糖体的结构，整体分辨率达到2 Å，局部分辨率可至1.8 Å。高分辨率的结构信息让研究者可以精确地描述核糖体与RNA之间、核糖体亚基之间以及核糖体与抗生素巴龙霉素之间的相互作用。此外，实验人员鉴定出了所有RNA和蛋白上的化学修饰，包括未被报道过的两种核糖体蛋白骨架上的翻译后修饰。

在核糖体蛋白uL16的82位甲硫氨酸和83位甘氨酸之间，研究者发现了硫代酰胺（thioamide）修饰。这是迄今为止第二次在蛋白里发现这种化学修饰【1】。硫羰基与典型的肽羰基相比，键长仅差了约0.4 Å而几何结构不变，这在低分辨率的结构模型中是很难被识别出来的。而在<2Å的分辨率下，电势差更为明显，从而可以被分辨出来（图1）。结合质谱（LC-MS/MS）数据，实验者确认了这种修饰的存在。然而，这种修饰的生理功能以及形成的分子机制仍然未知。

图1. uL16上存在硫代酰胺修饰。左：M82和G83之间的硫代酰胺，紫色的为23S rRNA。右：LC-MS/MS结果印证了O被S所取代。

除了多肽骨架上的硫代酰胺修饰，研究人员还在核糖体的30S亚基上发现了核糖体蛋白上唯一的异肽键（isopeptide bond），即位于uS11核糖体蛋白第119位的异天冬氨酸（isoAsp）（图2）。isoAsp常被认为是蛋白质损伤的标志，其生物学意义尚不明确【2】。

图2. uS11蛋白119位的isoAsp（黄色）与包围在旁边的16S rRNA（淡紫色）

除了蛋白上的化学修饰，高分辨率的结构信息使得实验者可以鉴定出多种rRNA上的修饰，包括16S rRNA上的m7G527和m62A1519。这些化学修饰与链霉素和新霉素的抗性直接相关【3，4】。最后，实验人员分析了巴龙霉素与核糖体30S亚基之间的相互作用（图3）。

图3. 左：在不同的结构中巴龙霉素的构象也略微不同，粉红色的为本文章的结构，淡紫色的为16S rRNA。右：IV环与附近的氨基酸残基、16S rRNA和溶剂分子间的相互作用。

总而言之，这些化学修饰的发现，进一步加深了我们对核糖体结构与功能的了解。高分辨率下，抗生素的结合模式、蛋白质-RNA相互作用和溶剂分子的位置都一目了然。这项研究也将促进冷冻电镜数据处理和分析工具的进一步发展。

来源：BioGossip BioArt

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