【学术前沿】中国细胞生物学学会四期WLLA学员任艾明组报道新型核开关SAM-VI三维结构及配体识别机制

核开关（Riboswitch）是一类位于mRNA 5'端序列高度保守的非编码RNA分子，一般含有两个功能模块：适配体结构域（Aptamer Domain）和表达平台（Expression Platform）。适配体结构域通过结合相应的配体，自身构象发生改变，进而诱导表达平台构象变化，在转录水平或者翻译水平调控下游基因的表达。最早的核开关于2002年被报道，迄今已经发现约有近40种，绝大多数存在于细菌中。

2019年12月16日，中国细胞生物学学会四期WLLA学员、浙江大学生命科学研究院任艾明课题组与奥地利因斯布鲁克大学Ronald Micura教授课题组合作在Nature Communications上发表题为 SAM-VI riboswitch structure and signature for ligand discrimination 的研究论文，研究解析了SAM-VI核开关结构，揭示了特异识别的分子基础。

S-腺苷甲硫氨酸（S-adenosylmethionine, SAM），是生物体内的一类重要的小分子代谢物，在不同生物种属均发挥至关重要的作用。SAM核开关特异性识别SAM，是目前种类最多的一类核开关，分为SAM-I、SAM-IV、SAM-I/IV、SAM-II、SAM-V、SAM-III、SAM-VI等多个亚型。SAM-VI核开关是2017年被鉴定出的一类新型核开关，可以特异性地识别SAM，而对与SAM结构类似仅少一个甲基的代谢产物SAH响应很弱。二级结构显示，SAM-VI核开关含有三个茎区（Stem）P1、P2和P3，它们连接在同一个大内环上，形成一个三通路（3-way junctional）的RNA结构。茎区P3长度相对较短，与茎区P1直接相连，核糖体结合位点SD序列就处于茎区P1和P3的连接区域（图A）。

为了阐明SAM-VI核开关的配体识别机制，任艾明课题组利用X-射线晶体学的方法，解析了野生型SAM-VI核开关与SAM、SAH以及SAM类似物M1（化学结构如图B）等一系列复合物的三维结构。三维结构显示，SAM-VI核开关茎区P1和P2以及参与配体识别的内环上的碱基连续堆积形成长双螺旋轴， 茎区P3与该长轴几乎垂直相交，而配体SAM就结合在P3与长轴相交的内环区（图C）。对SAM识别口袋的结构分析显示，配体SAM的腺苷与内环区碱基U8形成经典Watson-Crick配对，该碱基对进一步被A36/A37/G38特异性识别，并通过堆积作用参与长轴形成（图D，图E）。SAM的糖环以及配体末端的α-氨基也分别与碱基G33和U8形成氢键作用被固定于口袋外侧（图E）。通过对结合口袋进行碱基特异性突变以及ITC结合实验，进一步验证了SAM-VI核开关对SAM特异性识别的结构特征，同时也揭示了SAM-VI核开关倾向于结合SAM而不是SAH的原因。

综合序列保守性分析发现在SAM-VI核开关在茎区P1的5'端存在部分碱基可能与三维结构研究中发现的茎区P1中的关键碱基相互配对形成茎区P0，进而阻止含有茎区P1的结合状态结构的形成，释放SD序列，启动后续基因表达。课题组基于体外的Ap标记实验以及体内的LacZ报告基因实验，完美得验证了茎区P0参与的SAM-VI核开关的作用机制，建立了新的核开关调控模型（图F）。当细胞内SAM浓度偏低时，SAM-VI核开关形成茎区P0，此时SAM-VI核开关的SD序列被释放，启动下游的基因表达；当细胞内SAM浓度增高时，SAM-VI核开关结合SAM，茎区P1形成，SD序列被固定于复合物结构中，SAM-VI核开关下游基因表达被关闭。与不含有茎区P0的序列相比，茎区P0的存在可以更有效的调控相关基因的关闭和启动（图F）。

以上工作首次解析了新型核开关SAM-VI的三维结构，揭示了其与配体高特异性结合的分子机制，进一步丰富了RNA分子的结构数据库；首次发现和验证了新型元素核开关5'端序列参与基因表达调控的模型，推动了核开关领域的进一步发展；SAM类似物M1的复合物结构研究，为SAM-VI核开关以及M1在RNA化学和合成生物学上的应用提供了理论基础。

据悉，该工作被Reviewer评论为核开关领域的标杆之作（“The work represents what should be the standard for riboswitch characterization in the field” ）。

浙江大学生命科学研究院博士后孙爱爱博士为本论文共同第一作者，中国细胞生物学学会四期WLLA学员任艾明和Ronald Micura 为共同通讯作者。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-019-13600-9