程净东、叶克穷等揭示90S核糖体前体A1位点的切割以及90S向40S转变的机制

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真核生物核糖体的组装是细胞内最重要也是最耗能的过程之一，包含4条rRNA的剪切和折叠以及80个核糖体蛋白的翻译、转运和组装。除此以外，还有多于200个的组装因子参与其中。近年发现，核糖体的组装异常与人类多种疾病密切相关，已经成为多种疾病治疗的热门研究靶点。

酵母的核糖体组装起始于RNA聚合酶I 对35S rRNA的转录，依次包含小亚基的18S rRNA和大亚基的5.8S 、25S rRNA。35S rRNA 转录的同时，核糖体组装因子会顺序结合在rRNA上，并最先组装成40S小亚基的前体——90S核糖体前体。伴随着35S rRNA中位点A1, A2(或者位点A3)的切割，经过一系列组装因子的作用，40S小亚基的前体从核仁区经过核质区和核孔复合物进入细胞质，并最终成熟为40S小亚基。目前，细胞组装成A1位点切割前的90S核糖体前体这一过程的冷冻电镜结构已经被解析【1】，但是A1位点的切割后以及90S核糖体前体如何转变成pre-40S核糖体仍然未知。

图1，核糖体的组装示意图【2】

2020年9月18日，来自慕尼黑大学Roland Beckmann教授课题组的程净东博士以及海德堡大学Ed Hurt教授课题组的合作者在Science以长文的形式发表了“90S pre-ribosome transformation into the primordial 40S subunit”的文章。

在以往研究的基础上，作者通过进一步的生化和冷冻电镜手段解析了7种不同的酵母90S（pre-40S）核糖体前体的结构。其中3种结构处于A1位点切割前，对其结构的分析验证了作者之前在噬热毛壳菌中的结论，即18S rRNA中4个亚结构域（5’，central, 3’major, 3’minor）是以反向顺序组装成A1位点切割前的 90S核糖体前体。另外的4种结构都处于A1位点切割后，通过对其结构的分析作者得出以下结论：

1、在90S向40S转变的过程中， 5’ETS颗粒并不是整体上剥离90S核糖体前体，而是各个组分顺序的、逐个剥离，这与以往的研究不同。作者认为在正常生理条件下，5’ETS颗粒是不存在的。

2、伴随着A1位点的切割，90S核糖体前体发生了剧烈的构象变化。作者认为，新的组装因子的结合以及旧的组装因子的解离，再加上18S rRNA中5’和central亚结构域的挤压靠近使其进一步的折叠成熟，最终形成18S rRNA helix 1，进而导致A1位点的切割。

3、作者认为RNA解旋酶Dhr1以及含有解旋酶Mtr4的细胞核exosome在整个的90S向40S的转变过程中起到推动的作用。作者发现Dhr1分别以抑制和激活状态结合在90S和pre-40S核糖体前体上，因此推断Dhr1最终会将U3 snoRNA从pre-40S核糖体前体上剥离。

该研究第一次解释了90S核糖体前体A1位点的切割以及90S向40S转变的机制，与作者之前的研究一起勾勒出几乎完整的40S核糖体小亚基组装过程【1,3-5】。

值得一提的是，来自中科院生物物理研究所叶克穷研究组也在同期Science杂志上发表的题为Cryo-EM structure of 90S small ribosomal subunit precursors in transition states的“背靠背”相关论文，揭示了90S核糖体向40S核糖体转变的机制。

参考文献

1. J. Cheng et al., Thermophile 90S Pre-ribosome Structures Reveal the Reverse Order of Co-transcriptional 18S rRNA Subdomain Integration. Molecular cell 75, 1256-1269 e1257 (2019).

2. J. Bassler, E. Hurt, Eukaryotic Ribosome Assembly. Annual review of biochemistry 88, 281-306 (2019).

3. M. Kornprobst et al., Architecture of the 90S Pre-ribosome: A Structural View on the Birth of the Eukaryotic Ribosome. Cell 166, 380-393 (2016).

4. J. Cheng, N. Kellner, O. Berninghausen, E. Hurt, R. Beckmann, 3.2-A-resolution structure of the 90S preribosome before A1 pre-rRNA cleavage. Nature structural & molecular biology 24, 954-964 (2017).

5. M. Ameismeier, J. Cheng, O. Berninghausen, R. Beckmann, Visualizing late states of human 40S ribosomal subunit maturation. Nature,  (2018).