phymath999: 刘士勇 RNA与蛋白质之间是否存在识别密码？

Wednesday, June 17, 2015

刘士勇 RNA与蛋白质之间是否存在识别密码？

[转载]RNA-蛋白质复合物晶体结构解析

已有 1633 次阅读 2013-12-6 22:24 |系统分类:科研笔记

来源：http://www.cls.edu.cn/Research/Research_Achievements2292.shtml

施一公研究组在《自然》发表论文阐述Lsm蛋白质复合物特异性识别剪切体U6 RNA的分子机制

11月17日，生命中心施一公研究组在《自然》在线发表了题目为Crystal structures of the Lsm complex bound to the 3’ end sequence of U6 small nuclear RNA（Lsm蛋白质复合体结合U6小核RNA 3’末端序列的晶体结构）的研究论文，首次报道了Lsm2-8蛋白质复合物自组装的晶体结构及其特异识别U6小核RNA 3‘末端序列的分子机制。清华大学生命学院博士生周丽君和医学院博士生杭婧为该论文的共同第一作者。

在真核生物中，执行翻译功能的信使RNA(messenger RNA)在细胞核内的成熟需要经历一个非常复杂的剪切和拼接过程，这个过程主要是由五个小核核糖核蛋白（small nuclear ribonucleoproteins, snRNP）和一系列的辅助蛋白构成的巨大分子机器——剪切体（spliceosome）执行的。每种snRNP都由一条小核RNA（small nuclear RNA）和与之特异性结合的七元环蛋白质复合物组成。大部分的七元环复合物是Sm 蛋白质七聚体，只有在U6小核核糖核蛋白中为Lsm蛋白质七聚体复合物。Lsm蛋白家族有十多个成员，在各个物种中高度保守，参与各种与RNA代谢相关的信号通路。在真核细胞中，组成U6 小核核糖核蛋白的蛋白质复合物是Lsm2/3/4/5/6/7/8。它能够特异地识别U6 RNA的3’末端序列，并帮助U6 RNA与剪切体其他成员相互作用，催化RNA的剪接过程。

在这篇研究论文中，施一公研究组通过特殊的蛋白质表达手段获得了均一性和稳定性良好的自组装Lsm蛋白质复合物，克服了传统Lsm蛋白提取方法对蛋白质造成的潜在变性危害。在此基础上，作者对蛋白质复合物和RNA片段进行了共结晶，结合结构生物学和生物化学的分析手段，揭示了Lsm2-8七聚体蛋白质复合物特异性识别U6 snRNA末端的分子机制。Lsm2-8蛋白质复合物中的四个亚基Lsm4/8/2/3分别使用两个保守的序列模式特异性地把U6 RNA 3’末端4个尿嘧啶锚定在七聚体圆环形成的中间空腔内，其中Lsm3识别最末位的尿嘧啶核苷酸。有趣的是，当这个核苷酸被截去之后，Lsm3仍可以以及其相似的识别模式锚定最后一个尿嘧啶，引起整个结合序列的后移。除与Lsm4相邻的Lsm7对RNA的结合贡献了微弱的氢键以外，其他两个亚基并没有直接参与到RNA识别中去。这一创造性的新发现首次从三维晶体结构上描述和解释了Lsm蛋白对U6 RNA的“末端识别”模式。

图示Lsm2-8复合物与U6 RNA的特异性识别

由于剪接通路的动态复杂性，自1993年基因剪接的发现被授予了诺贝尔生理学医学奖以来，科学家们仍在步履维艰地探索着其中的奥秘。此课题的完成攻克了世界上多个研究组感兴趣的难题，将七个不同蛋白质共同表达并结晶。为此领域的相关研究提供了新的设计思路和研究方法。

Lsm蛋白质复合物晶体结构的解析是施一公研究组首次在RNA剪接通路中取得的重大进展，为更好地理解真核生物剪接体的功能实现和揭示生命现象的基本原理奠定了夯实的理论基础。

http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature12803.html

颜宁课题组也报道了一篇有趣的RNA与蛋白质复合物晶体结构。
http://www.nature.com/nature/journal/v504/n7478/full/nature12651.html

来源：http://www.cls.edu.cn/Research/Research_Achievements2263.shtml

生命中心颜宁研究组在《自然》发表论文揭示PPR蛋白特异识别单链RNA的分子机制

2013年10月27日，生命中心颜宁研究组在《自然》在线发表论文，报道了PPR蛋白特异识别单链RNA的分子机制。

PPR（pentatricopeptide repeat）蛋白是广泛分布于各类生物当中一大类蛋白家族，在高等植物叶绿体和线粒体当中尤其种类丰富，比如拟南芥和玉米中各有四百多种PPR蛋白。PPR蛋白对单链RNA具有序列特异性识别模式，与RNA的转录、剪切、编辑、和稳定性等过程都密切相关，因为与包括多种农作物在内的植物细胞质雄性不育有直接联系而受到重视。在人类中，PPR蛋白在包括导致Leigh综合症在内的众多生理和病理过程中发挥重要作用。

PPR蛋白的RNA结合模式与已知的RNA结合蛋白均不同。PPR蛋白由多个PPR重复单元组成，大多数情况下，一个经典的PPR重复单元含有35个氨基酸，每一个重复单元可以特异性地识别一个RNA碱基，近两年的生物信息学和初步生物化学研究研究显示PPR模块与RNA序列有特异的对应关系，但其识别机理及识别密码尚不明确。揭示PPR蛋白特异识别RNA碱基的分子机制对于理解PPR蛋白的工作机理以及促进PPR蛋白生物技术领域的应用具有重要意义。

颜宁研究组与施一公、朱健康、王佳伟、王宏伟等课题组合作，选择源自玉米叶绿体的PPR10蛋白进行了深入的结构生物学和生物化学分析，最终获得了PPR10蛋白在未结合RNA和特异结合靶标PSAJ单链RNA两种状态下的高分辨率晶体结构。结构显示，PPR10包含19个PPR重复单元，每个PPR重复单元均为helix-loop-helix结构，多个重复单元组成两圈右手超螺旋。PPR10-PSAJ的复合体晶体结构则清晰地揭示了PPR蛋白特异性识别RNA碱基的分子机理。特异识别发生于PPR重复单元的第2、5、35位的氨基酸与相对应的RNA碱基，这一结构生物学发现为破解PPR的RNA识别密码提供了直接的依据。

自然界中有许多具有重复单元构造的蛋白质，其结构与功能的揭示往往可以把这些蛋白质改造为重要的工具蛋白。例如科学家根据TALE蛋白对DNA序列的特异识别，设计组装能够识别任意序列双链DNA的TALEN工具酶，进而对基因组进行改造。TALEN已经在多个物种中获得了广泛应用。这是颜宁课题组与合作者继2012年1月在Science报道TALE蛋白识别双链DNA的分子机制后，对重复单元蛋白的又一项结构与功能研究，希望可以促进PPR在生物技术中的应用。

该论文共同第一作者为清华大学生命科学学院的博士后殷平以及二年级博士研究生李泉秀。上海同步辐射光源（SSRF）何建华研究员及郁峰博士为数据收集提供了及时有效的帮助，保证了我国研究组在这一课题上率先取得突破。南开大学龙加福研究组为PPR蛋白的生化性质鉴定提供了重要支持。