6月13日，國際學術期刊Nucleic Acids Research在線發(fā)表了中國科學院分子細胞科學卓越創(chuàng)新中心(生物化學與細胞生物學研究所)周小龍研究組的最新研究成果“Eukaryotic AlaX provides multiple checkpoints for quality and quantity of aminoacyl-tRNAs in translation”。該項研究鑒定了真核生物蛋白質(zhì)合成速度與保真性的多重調(diào)控因子AlaX。

蛋白質(zhì)合成的速度與保真性決定了遺傳信息的正確傳遞，對于細胞正常的生命活動具有重要意義。速度或保真性紊亂會導致多種人類疾病，包括神經(jīng)退行性疾病與先天性心臟病等。氨基酰-tRNA合成酶(aaRS)需要識別正確的氨基酸與tRNA底物，合成正確的氨基酰-tRNA (例如Ser-tRNA^Ser)。由于氨基酸底物結(jié)構的高度相似性，aaRS時常誤活化體積較小的非對應氨基酸，導致誤氨基酰-tRNA的產(chǎn)生(例如Ser-tRNA^Ala, Ser-tRNA^Thr等)。約一半的aaRS進化過程中，通過招募編校結(jié)構域，催化編校反應(editing)水解誤氨基酰-tRNA，以確保蛋白質(zhì)合成的保真性。由aaRS催化的編校反應稱為順式編校(cis-editing)。例如丙氨酰-tRNA合成酶(AlaRS)和蘇氨酰-tRNA合成酶(ThrRS)的編校結(jié)構域可以通過順式編校分別水解Ser-tRNA^Ala和Ser-tRNA^Thr。

由aaRS介導的順式編校不足以保證蛋白質(zhì)合成的保真性，因此在三界生物中，還普遍存在一類分子量較小，與aaRS的編校結(jié)構域同源的蛋白質(zhì)分子。這類分子不具備氨基?；钚?，其中的某些成員已經(jīng)被證明可以水解對應aaRS產(chǎn)生的誤氨基酰-tRNA，進一步確保了遺傳信息的精準傳遞。這類蛋白質(zhì)稱為反式編校因子，其介導的編校反應稱為反式編校(trans-editing)。

真核生物中，由Aarsd1基因編碼的蛋白質(zhì)AlaX，與AlaRS和ThrRS的編校結(jié)構域同源。前人的研究揭示了細菌和古菌來源的AlaX主要水解Ser-tRNA^Ala，只作為AlaRS的反式編校因子發(fā)揮作用。但對于真核生物AlaX潛在的編?；盍?，編校底物與生物學功能知之甚少。

在該研究中，通過純化和體外重組人AlaX以及酵母AlaX酶活力，發(fā)現(xiàn)AlaX是一個具有顯著編?；盍Φ姆词骄幮Ｒ蜃樱?/span>AlaX具有嚴格的氨基酸特異性，只能水解接載有Ser的tRNA；發(fā)現(xiàn)AlaX可以水解誤氨基?；?/span>tRNA，包括Ser-tRNA^Ala與Ser-tRNA^Thr；AlaX發(fā)揮其編校功能不依賴于tRNA的結(jié)構和序列，但依賴于關鍵的C-Ala結(jié)構域。通過構建Aarsd1基因敲除的HEK293T細胞系和AlaX基因敲除的酵母細胞株，發(fā)現(xiàn)敲除細胞中， mRNA翻譯存在大量的Ala>Ser和Thr>Ser的氨基酸誤摻；敲除細胞系對不同的壓力刺激產(chǎn)生截然不同的響應；細胞功能上的變化可以通過表達具有編?；盍Φ?/span>AlaX，AlaRS或ThrRS挽救。尤為意外的是，發(fā)現(xiàn)AlaX可以高效水解細胞內(nèi)由絲氨酰-tRNA合成酶(SerRS)合成的正確的氨基?；?/span>tRNA (Ser-tRNA^Ser)和硒代半胱氨酸生物合成途徑中必須的中間產(chǎn)物Ser-tRNA^Sec；敲除Aarsd1基因可以顯著影響Ser密碼子的解碼速度，提示AlaX參與蛋白質(zhì)合成速度的調(diào)控。

本研究系統(tǒng)闡明了真核生物反式編校因子AlaX的編校機制；揭示了AlaX同時作為AlaRS、ThrRS與SerRS共有的反式編校因子，對于蛋白質(zhì)合成速度與保真性發(fā)揮多重調(diào)節(jié)作用。本研究加深了人們對于真核生物蛋白質(zhì)合成機理的認識。

分子細胞卓越中心博士研究生李子涵為論文第一作者，分子細胞卓越中心/國科大杭州高等研究院周小龍研究員為論文通訊作者。該研究獲得了中國科學院先導B、國家重點研發(fā)計劃、基金委和上海市科委的經(jīng)費資助。感謝國家蛋白質(zhì)科學中心(上海)李沂霖博士和殷躍博士對本研究提供的技術支持。感謝法國斯特拉斯堡大學Gilbert Eriani教授對本工作提出的建議。感謝分子細胞卓越中心分子生物學技術平臺、細胞分析技術平臺和化學生物學技術平臺的支持與幫助。

文章鏈接: https://doi.org/10.1093/nar/gkae486

AlaX在真核生物蛋白質(zhì)合成速度與保真性中發(fā)揮多重調(diào)控作用