Science：在分子水平上揭示细菌核糖体招募mRNA的机制

Science：在分子水平上揭示细菌核糖体招募mRNA的机制

在细胞内，DNA携带着制造蛋白的遗传密码。为了制造蛋白，细胞会对DNA进行转录而产生mRNA。然后，一种叫做核糖体的分子机器读取mRNA，将其翻译成蛋白。但是这个步骤一直是个视觉谜团；科学家们以前并不知道核糖体如何附着到mRNA上并读取它。如今，在一项新的研究中，来自法国国家科学研究中心、法国国家健康与医学研究院、斯特拉斯堡大学和密歇根大学研究人员等研究机构的研究人员利用先进的显微镜，对细菌核糖体在一种叫做RNA聚合酶（RNAP）的酶将DNA转录为mRNA时mRNA如何被招募到mRNA上进行了成像。

核糖体招募mRNA的早期步骤

RNAP（灰色）以DNA为模板合成mRNA（粉色）。核糖体小亚基（黄色）通过两种途径被募集到mRNA。首先，RNAP（绿色）与核糖体蛋白bS1（青色）接触，后者将mRNA结合并引导至anti-SD基序（顶部）。或者，NusG（ 青色）在核糖体进入通道（底部）附近拴住RNAP（红色）。翻译起始因子促进翻译起始进行（未示出）

这项研究发表在2024年11月29日的Science期刊上，论文标题为“Molecular basis of mRNA delivery to the bacterial ribosome”。研究者开发了一个机理框架，展示了这种复合物的各种成分如何协同作用，将新转录的mRNA带到核糖体上，并在转录和翻译之间发挥桥梁作用。

论文共同通讯作者Albert Weixlbaumer表示：“了解核糖体如何捕获或‘招募’ mRNA是接下来发生的所有事情的先决条件，比如了解核糖体如何开始解读mRNA中编码的信息。这就像一本书。你的任务是阅读和解释一本书，但你不知道从哪里得到这本书。这本书是如何送到读者手中的？”

研究团队发现，用于将DNA转录为mRNA的RNAP部署了两个不同的锚，以拴住核糖体，确保站稳脚跟并开始蛋白合成。这就好比建筑工地上的工头监督工人安装上层建筑的复杂部分，用两种冗余的方式确认所有部件在关键的连接点都被牢牢固定，以实现最大的稳定性和功能性。

研究人员认为，了解这些基本过程为开发靶向细菌蛋白合成中这些特定途径的新型抗生素提供了巨大潜力。传统上，抗生素靶向核糖体或RNAP，但细菌往往能找到进化和变异的途径，从而对这些抗生素产生抗药性。有了这些新的知识，他们希望通过切断多种途径来战胜细菌。

论文共同第一作者Adrien Chauvier表示：“我们知道，RNAP、核糖体、转录因子、蛋白和mRNA之间存在相互作用。我们可以靶向这个界面，特别是RNAP、核糖体和mRNA之间的界面，比如通过使用一种化合物来干扰这种复合物的招募或稳定性。”

研究团队采用了多种技术和方法来研究这一过程。Weixlbaumer团队采用低温电镜（cryo-EM）观察复合物的动作，而来自德国柏林的一个研究团队采用了细胞内交联质谱分析法。Chauvier和密歇根大学化学与生物物理学教授Nils Walter则利用先进的单分子荧光显微镜分析了这种复合物结构的动力学。

Chauvier说：“为了追踪这种分子机器的工作速度，我们给它的两种成分分别贴上了不同颜色的标签。我们用一种荧光颜色标记新生RNA，用另一种荧光颜色标记核糖体。这样我们就能在高倍显微镜下分别观察它们的动力学。”

他们观察到，当核糖体蛋白bS1存在时，从RNAP出来的mRNA与核糖体小亚基（30S）结合的效率特别高，这有助于mRNA展开，为在核糖体内翻译做准备。

Webster和Weixlbaumer的低温电镜结构指出了将mRNA运送到核糖体的另一种途径，即通过耦合转录因子NusG或其变体RfaH将RNA聚合酶拴住，NusG或RfaH从bS1的另一侧将mRNA穿入核糖体的mRNA进入通道。

在成功地观察到建立RNAP和核糖体之间耦合的第一阶段后，研究团队期待着进一步合作，以找出这种复合物必须如何重新排列才能充分发挥功能。