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生物物理所合作研究揭示microRNA生成過程中的重要分子機制

發布時間:2020年03月27日

  生命活動的中心法則是由遺傳物質DNA轉錄生成信使RNA,再由信使RNA翻譯成蛋白質,從而完成新陳代謝、生長發育等各項生理功能。然而,細胞(尤其是高等生物細胞)內還存在著大量不翻譯成蛋白質的RNA,被稱為非編碼RNA。它們在基因表達調控等關鍵生命活動過程中發揮重要作用,與細胞分化、個體發育以及疾病發生與發展密切相關。其中一類功能重要的小非編碼RNA是microRNA(miRNA),它們長約21~24個堿基,普遍存在于從線蟲到人類等高等生物中,而且很多miRNA的生物學功能在進化過程中保守。自1993年首次發現以來,已有數以萬計的miRNA被鑒定,其中一些被作為癌癥等疾病的診斷標志物和藥物研發靶點。因此,miRNA的功能及其自身的生成與調控機制一直都是生物醫學研究熱點。

  具有功能的miRNA是由一條包含一個頸環結構的更長轉錄本(又稱pri-miRNA)經過兩步切割反應而產生。第一步切割反應在細胞核內進行,由Drosha/DGCR8復合物催化完成,其中Drosha為III型RNA切割酶,是核心催化組分,DGCR8為雙鏈RNA結合蛋白,負責招募pri-miRNA底物。核內切割產生長度約60-70個堿基左右的前體miRNA,然后前體miRNA出核,在細胞質由Dicer RNA酶完成第二步切割。第一步在核內的切割反應尤為重要,一方面去除冗長的無關序列,從上千堿基長度的pri-miRNA產生僅60-70個堿基的前體miRNA;另一方面,切割產生的3’端就是最終成熟miRNA的末端,對于miRNA的功能至關重要,因此要求切割位點非常精確。

  Drosha/DGCR8復合物作為細胞核內唯一pri-miRNA切割酶是2003-2004年發現的,盡管過去十余年的大量的研究,包括pri-miRNA上的關鍵序列的鑒定和蛋白質重要功能結構域的分析等,但是pri-miRNA如何被準確識別以及Drosha/DGCR8如何界定切割位點這些重要科學問題一直沒有得到清晰的回答。2020年3月27日,《Molecular Cell》雜志在線發表了生物物理所許瑞明課題組與清華大學王宏偉課題組合作完成的題為“Structural Basis For pri-miRNA Recognition by Drosha”的研究論文,利用單顆粒冷凍電鏡方法解析了Drosha/DGCR8與pri-miRNA的復合物結構,揭示了pri-miRNA核內加工的分子機制。他們的研究結果證實了Drosha在切割位點界定中的決定性作用,發現Drosha的PAZ、MB helix和dsRBD結構域在pri-miRNA識別和協同完成切割位點定位中發揮重要作用。其中,PAZ結構域在RNA結合前后出現了明顯的構象變化,它與MB helix一起,結合在pri-miRNA的單、雙鏈交界區兩側,形成了pri-miRNA關鍵特性識別的獨特模式。其中PAZ結構域與RNA的結合方式完全不同于之前發現的其他蛋白PAZ結構域僅僅識別RNA的3’末端的方式。概括而言,該項研究首先揭示了Drosha特異性識別pri-miRNA的關鍵序列和結構特性的分子機制,發現了新穎的PAZ結構域構象及其結合RNA的新模式,闡明了困擾研究領域多年的關鍵分子機制。

  此外,這項研究還提出了Drosha/DGCR8復合物存在不同的活性狀態。當沒有底物RNA時,Drosha的PAZ發卡狀雙螺旋占據了切割活性中心區域,阻礙Drosha與RNA的結合;而當識別pri-miRNA底物時,該螺旋發生構象變化,促進并穩定了底物的結合。研究人員認為,這是一種從自抑制狀態到活化狀態的轉變,表明Drosha存在活性自調控機制,有益于在體內環境中識別正確底物進行切割。

  中國科學院生物物理研究所許瑞明研究員與清華大學生命科學院王宏偉教授為該論文的共同通訊作者,生物物理所金文星副研究員和清華大學王家博士為共同第一作者,工作的主要參與者還有生物物理所的劉超培副研究員。生物物理所章新政研究員、曹端方博士為研究工作提供了有價值的建議。該研究得到了生物物理所生物成像中心和清華大學冷凍電鏡和高性能計算平臺的大力支持,以及國家自然科學基金、科技部國家重點研發計劃,北京市自然科學基金以及中科院青年創新促進會資助。

圖注:Drosha/DGCR8復合物對底物pri-miRNA的特異性識別及精確切割的機制模型

  文章鏈接:http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1097276520301441

 

(供稿:許瑞明研究組)

 

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