《科学》：揭示mRNA传递到细菌核糖体的分子基础

《科学》：揭示mRNA传递到细菌核糖体的分子基础

2024年11月29日，来自法国分子细胞与遗传学研究所的Albert Weixlbaumer和Michael W. Webster共同合作在《科学》杂志上发表了题为“Molecular basis of mRNA delivery to the bacterial ribosome”的研究成果，揭示了mRNA传递到细菌核糖体的分子基础。

储存在DNA中的遗传信息通过RNA聚合酶（RNAP）转录成信使RNA（mRNA），并通过核糖体翻译成蛋白质。在原核生物中，基因的转录和翻译同时发生且邻近发生。这使得RNAP和核糖体能够协调它们的功能。转录和翻译机制之间的这种耦合的一个鲜为人知的方面是RNAP可能促进核糖体与它正在转录的mRNA的结合。mRNA“递送”到核糖体的机制将保护中间的mRNA免受核糖核酸酶的侵害，抑制抑制性RNA结构的形成，并通过将其与尾随核糖体的翻译活性偶联来加速转录。

mRNA和核糖体之间的初始接触通常由核糖体蛋白bS1支持，核糖体蛋白bS1是大肠杆菌中大多数mRNA翻译所需的RNA结合蛋白。在核糖体表面，bS1位于核糖体RNA序列附近，该序列可以与mRNA中的Shine-Dalgarno（SD）基序碱基配对。因此，核糖体和mRNA之间稳定复合物的建立可能取决于bS1、SD基序和RNAP之间的协调。

核糖体募集到mRNA的早期步骤。

在细菌翻译起始途径中，已经表征了核糖体中mRNA调节和起始转移RNA（tRNA）结合的分子基础。相比之下，关于翻译起始早期阶段（mRNA和核糖体首次相互作用）的结构信息是有限的。RNAP如何促进翻译的启动也尚不清楚。研究人员试图使用结构、生物物理和蛋白质组学方法的组合来可视化mRNA最初是如何被细菌核糖体参与的。

为了通过冷冻电子显微镜（cryo-EM）进行结构分析，研究人员制备了一个复合物，其中小核糖体亚基与RNAP中出现的mRNA结合。确定了一组分子状态的结构，这些分子状态揭示了mRNA从RNAP递送到核糖体的两条途径。在第一种研究中，从RNAP中出来的mRNA与核糖体蛋白bS1结合。这阐明了bS1如何支持与mRNA的初始接触并促进它们在核糖体内折叠以适应。mRNA的SD基序与核糖体RNA以先前未描述的方向碱基配对。mRNA从bS1到SD基序识别位点的连续路径揭示了bS1如何在mRNA调节和tRNA识别之前递送mRNA以促进稳定的核糖体-mRNA复合物形成。

RNAP位于这些结构中bS1附近。这表明bS1有助于RNAP介导的mRNA递送到开创性的核糖体，研究人员通过体外单分子共定位实验证实了这一点。仅在bS1存在下观察到核糖体与RNAP内mRNA的关联速率增加。

在其他结构模型中，RNAP通过偶联因子NusG与小核糖体亚基相连。在这里，mRNA被递送到核糖体的mRNA进入通道，而不是bS1。这表明NusG及其旁系同源物RfaH可能支持mRNA递送至核糖体的替代途径。最后，研究人员证实，使用细胞内化学交联结合质谱法，在研究人员的重构样品中观察到的核糖体和RNAP之间的两个接触位点都发生在活细胞中。

结构模型提供了对RNAP、bS1和SD基序在翻译起始早期阶段的作用的机制见解。在核糖体结合和细胞内结构蛋白质组学数据的动力学分析的支持下，研究人员提出了一个mRNA递送到细菌核糖体的两种途径的模型。

总之，这一工作为SD双链体、核糖体蛋白和RNAP如何在mRNA的30S募集中合作，并建立转录-翻译偶联提供了一个机制框架。

文章来源：
Michael W. Webster, Adrien Chauvier, Huma Rahil et al, Molecular basis of mRNA delivery to the bacterial ribosome.DOI: DOI： 10.1126/science.ado8476，Science：最新IF：63.714