Cell | 细胞质mRNA末端周期性重复的结构基础

来源：BioArt

我们知道，真核生物mRNA末端有很长的poly（A）尾巴，其长度在不同物种中有些不同，从酵母中的约90个到哺乳动物中的200到250个不等。poly（A）尾功能保守，在mRNA转运、翻译和降解中起着关键作用。其功能主要由poly(A)结合蛋白（poly(A)-bindingproteins，PABP；酵母中叫Pab1，哺乳动物的叫PABPC1）介导【1】。PABP在细胞质mRNA的3’端，将它们包装成poly（A）RNP，在胞内高度动态【2】。胞质中的PABP蛋白质非常高（μM浓度），结合poly（A）RNA的能力也非常强（nM Kd），并且它能将poly（A）尾部组织成具有约27个核苷酸的重复模块。在转录物的生命周期里，poly（A）尾部会逐渐缩短，最终导致mRNA降解【1,2】。在这种背景下，PABP扮演着一个双面“间谍”的角色。一方面，它在物理上保护转录本的3’端免受非特异性的降解【3】。另一方面，它又是poly（A）尾巴脱腺苷所必须的【4】。此前，关于它是如何特异性识别目的mRNA、准确执行相应功能的分子机制尚不清楚。

2019年5月16日，Cell杂志在线发表了来自德国马普生化所Elena Conti课题组，题为Cryo-EM Structure of a Poly(A) RNPBound to the Pan2-Pan3 Deadenylase的研究长文。作者通过Cryo-EM技术解析了结合脱腺苷酶Pan2-Pan3的Poly(A)RNP分子结构，揭示了细胞质mRNA末端的周期性重复的结构基础，也在机理上阐述了RNA结合的Pab1是如何在mRNA寿命期间充当衡量poly（A）尾长度标尺的机制。

Pab1和PABPC1的N末端有四个连续的RNA识别基序（RRM）。它的N端RRM1和RRM2作为单个模块起作用，负责全长蛋白的腺苷结合特异性和亲和力【5】；同时该模块还为poly（A）结合提供了方向性，从RRM1到RRM2以3’至5’的方向识别RNA【6】。一般认为，RRM3和RRM4可能形成相似的结构模块（图1A），但它们在功能上是不同的，至少就RNA结合特性而言【5】。RRM结构域也有助于蛋白-蛋白相互作用。例如，RRM2可以结合翻译起始机制的组成部分（eIF4G）。然而，PABP的主要蛋白质结合平台位于它的C末端【7】。其C端是Mademoiselle（MLLE）结构域，识别短序列基序（称为PAM2），例如：识别翻译终止因子（eRF3）和mRNA去腺苷酸化酶（Pan3）【8】（图1A）。在RRM4和MLLE之间有一个很长的接头，介导了多个PABP分子与poly（A）的协同相互作用【9】。poly（A）RNA依赖的PABP寡聚化是poly（A）RNP形成的标志。

PABP在扮演双面“间谍”的角色时，在胞质与脱腺苷酶Pan2-Pan3复合物（图1A）相互作用，并且刺激Pan2-Pan3“修剪”poly（A）尾巴。另外，PABP可与负责mRNA降解的Ccr4-Not复合物相互作用，触发目的mRNA的进一步降解。遗传和生物化学研究表明，酵母和人类细胞中的脱腺苷化在不同的阶段进行【10】。在酿酒酵母中，第一阶段首先是Pan2-Pan3对3’末端进行初步修剪，直至poly（A）尾巴剩下25-40个核苷酸的临界长度。然后脱腺苷化从最初的慢速阶段转换到第二阶段。此时由Ccr4-Not会进一步将poly（A）尾巴进一步缩短，使得转录物易于脱帽，然后通过其他途径彻底降解【11】。在人细胞中的mRNA转录物降解途径也表现出至少两个阶段。但涉及Pan2-Pan3和Ccr4-Not复合物之间的转换以及它们对不同底物偏好的的分子机制是未知的。Pan2-Pan3如何特异性地识别早期poly（A）RNP，以及它在将poly（A）缩短为临界长度后又停止的原因尚不清楚。

作者通过体外蛋白重组，重建了poly（A）RNP刺激Pan2-Pan3，以催化poly（A）尾部脱腺苷的第一步过程（图1B-D）。通过Cryo-EM技术，解析了Pan2-Pan3脱腺苷酶复合物，和90A RNP-Pan2-Pan3的复合物结构（图1B-D）。

该poly（A）RNP复合物结构包含90个A的RNA、3个Pab1原体和Pan2-Pan3脱腺苷酶复合物。结构显示，单独的Pan2-Pan3复合物结构与90A RNP-Pan2-Pan3复合物中的Pan2-Pan3结构类似。在90A RNP-Pan2-Pan3复合物结构中，Pan2-Pan3与含有两个或更多个Pab1分子的poly（A）RNP结合，执行降解功能。结构揭示了Pab1的寡聚化界面是如何被去腺苷酸酶识别，并促使poly（A）RNA底物进入核酸酶活性位点的的分子机制，说明了这些结合RNA的Pab1寡聚体是如何作为poly（A）长度标尺的原因。该研究为mRNA降解的分子机制提供了重要的参考模型。

通讯作者介绍：

Elena Conti博士，1967年2月14日出生于意大利，是意大利生物化学家和分子生物学家。1991年，在帕维亚大学获得化学学士学位，1996年在伦敦帝国理工学院获得蛋白质结晶学博士学位。1997年至1999年在纽约洛克菲勒大学从事博士后研究，合作导师是John Kuriyan。1999至2006年，在德国海德堡的欧洲分子生物学实验室担任团队负责人，同时在德国Martinsried的马普所担任主任。2007年，担任德国慕尼黑Ludwig Maximilian大学的名誉教授。目前她是德国马普生物化学研究所的主任。主要研究方向是利用结构生物学和生物物理技术研究RNA转运和RNA代谢。她获得了很多荣誉，2008年，Conti因RNA转运和代谢的研究获得了德国研究人员最负盛名的奖项：Gottfried Wilhelm Leibniz奖。2014年，获得了Louis-Jeantet医学奖。2018年，她获得乌得勒支大学生物分子研究中心的Bijvoet奖章。同时，她还是欧洲分子生物学科学院（EMBO）和德国科学院院士。