NSMB：可爱龙课题组解析T-box核酸开关工作的分子机制

来源：BioArt

转运核糖核酸tRNA是参与蛋白质翻译三个重要RNA分子之一。它的三级结构大致分为反密码子臂和受体臂两个区域。前者末端的反密码子 （anticodon）在核糖体小亚基通过与mRNA三碱基配对来识别特定氨基酸的密码子， 后者顺势传递3’-NCCA末端携带的氨基酸到核糖体大亚基来参与合成蛋白质多肽链。作为RNA世界里最古老的几种RNA，tRNA的方方面面都有许多故事可讲，从核酸结构折叠，化学修饰，与核糖体的作用，病毒复制以及降解片段的表观遗传学功能等不一而足。

这其中一个重要的研究方向是细菌用核酸开关（T-box riboswitch）感受tRNA氨酰化（aminoacylation）程度来控制氨基酸饥饿反应的过程。这种通过noncoding RNA switch直接进行的基因调控的方式由于其简洁而高效而在细菌中广泛存在， 是细菌针对环境和自身体内营养物质浓度变化快速反应的重要手段。T-box riboswitch作为唯一一个针对大分子的核酸开关， 在1993年被Tina Henkin 组在Cell杂志上第一次报道【1】。它自身携带一个特定的密码子，并能够像核糖体一样通过密码子-反密码子配对来解码（decode）特定的tRNA；同时它还通过自己的AntiT/S 结构域与tRNA 3’-NCCA末端碱基配对，检测tRNA是否携带氨基酸，并根据检测结果来调控自身所在基因的表达。作为一个只有不到两百个核苷酸的RNA，T-box 拥有核糖体一半以上的功能！这一特性激起了分子生物学家们的强烈兴趣。

2019年11月18日，康奈尔大学可爱龙教授组在Nature Structural & Molecular Biology杂志上发表了文章Structural basis for tRNA decoding and aminoacylation sensing by T-box riboregulators，通过解析复合物晶体结构给T-box riboswitch的各项功能作出了高分辨率的解释。

这项工作为该试验组长期不懈研究的最新成果。由于生化重组很困难，在很长时间内对T-box 系统的解释停留在简单示意图层次上。在2013年初的PNAS文章里【2】，该组通过对T-box 结构域解析以及一系列生化分析，像拼图一样构造出 T-box/tRNA部分复合物的结构 (图1)。该模型和其后该组以及Adrian Ferré-D'Amaré组发表的真实晶体结构吻合得非常好【3,4】，标志着对T-box 系统的理解进入到分子层面。这些早期结构中最重要的“惊喜”是发现一个针对tRNA D/T loop 识别的结构域，与解码结构域一起通过测量tRNA 反密码子臂长度来准确识别tRNA。可爱龙组进一步理论展示可以运用长度测量的原则来设计人工的T-box/tRNA基因调控通路【4】。

图1. 从示意图到分子层面的理解。  (a)  根据遗传学分析得出的T-box/tRNA作用示意图，与真实结构相去甚远。  (b) 可组根据生化和结构域解析得出的结构和功能模型【2】。 (c) 和晶体结构的吻合度 【4】。

这些早期结构研究都集中在比较罕见的Glycine T-box体系内，其解码方式很简单，只涉及密码子-反密码子配对解码，基本没有辅助解码的识别元素。早期结构也没有包括tRNA氨酰化的识别结构域，同时缺失了在大部分T-box里存在的很大一段复杂的中部结构。后续研究对生化重组和结构解析提出来更高挑战。可爱龙组博士生Bob Battaglia经过几年时间的努力给出了完整复合物结构。新结构揭示了很多意外惊喜。结构显示在T-box中连接T-box 解码和氨酰化结构域的复杂中间序列并非可有可无的无序区域，其刚性三级结构形成了整个T-box的作用平台。改变它的长度和刚性都会造成T-box功能缺失。解码结构域与中部结构的一段形成一个掌状结构，从大沟和小沟两个方向握住tRNA的反密码子。也就是说解码不仅需要密码子-反密码子配对，还涉及从小沟方向上的一系列氢键结合。这和发生在核糖体中的解码机制在概念上很相似 - 当正确的 tRNA被解码时，其相互作用进一步被小沟的氢键强化，而错误的tRNA即使被暂时结合，解码区域的相互作用也会被小沟方向的冲突弱化。

新发表的完整复合物结构第一次为识别tRNA氨酰化的机制做出了高分辨率的解释：意想不到的是，这一识别不仅需要T-box AntiT/S 结构域与tRNA 3’-NCCA末端碱基配对，还要求其中部结构中的一段单链碱基参与编织成识别口袋，并与未携带氨基酸的tRNA 3’-末端特异性结合，进而形成稳定复合物。该文章通过解析与近似携带氨基酸的tRNA复合物结构进一步为T-box的核酸开关机理给出解释。通过结构比较发现，如果 T-box结合携带氨基酸的tRNA，识别口袋底部的单链碱基会被氨基酸顶开并推出。这一变化就像推倒了第一块多米诺骨牌一样会引起一系列构象变化，导致T-box开关调控输出值改变。

该文最后以T-box 核酸开关的全家福照片结尾 （图2），为三大类T-box与tRNA的相互作用一一做出了圆满解释。

图2. T-box“全家福”.  (a)  Glycine T-box class.   (b) Typical T-box class.  (c) Atypical T-box class.

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41594-019-0327-6

参考文献

1. Grundy, F. J. & Henkin, T. M. tRNA as a positive regulator of transcription antitermination in B. subtilis. Cell 74, 475-482, doi:10.1016/0092-8674(93)80049-k (1993).

2. Grigg, J. C. et al. T box RNA decodes both the information content and geometry of tRNA to affect gene expression. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 110, 7240-7245, doi:10.1073/pnas.1222214110 (2013).

3. Zhang, J. & Ferre-D'Amare, A. R. Co-crystal structure of a T-box riboswitch stem I domain in complex with its cognate tRNA. Nature 500, 363-366, doi:10.1038/nature12440 (2013).

4. Grigg, J. C. & Ke, A. Structural determinants for geometry and information decoding of tRNA by T box leader RNA. Structure 21, 2025-2032, doi:10.1016/j.str.2013.09.001 (2013).