调控核糖体前体加工和组装的分子机制

来源：植物科学最前沿

核糖体是细胞内蛋白质合成的分子工厂，其生物合成是细胞内最复杂、最耗能的基本生物学过程之一，受到严格的监管和调控。真核生物核糖体生物合成起始于细胞核内核糖体DNA (rDNA)转录，其产生的核糖体前体RNA (pre-rRNA)分子与一系列组装因子(Assembly Factor, AF)动态组装为90S/SSU(Small Subunit)核糖体前体复合物(pre-ribosomes)，并经历pre-rRNA转录后加工、核糖体RNA (rRNA) 共价修饰、核糖体蛋白(r-proteins)有序结合以及核糖体空间结构重排等过程，最终在细胞质中完成加工产生成熟核糖体参与蛋白质合成。核糖体生物合成缺陷会导致严重的生物学后果，包括动植物胚胎致死、严重的人类遗传疾病 (比如ribosomopathies)和癌症的高频发生，以及农作物环境胁迫应答的异常和减产。对核糖体生物大分子的合成和pre-rRNA转录后加工的调控机理研究一直是生命科学的研究热点。酵母和动物中有关核糖体前体加工和组装的研究相对较多，而植物中对于该过程的认知却十分有限。

2020年10月15日，中国科学院遗传与发育生物学研究所植物基因组学国家重点实验室曹晓风院士团队在Molecular Plant 在线发表了题为“Protein Arginine Methyltransferase 3 Fine-tunes the Assembly/Disassembly of Pre-Ribosome to Repress Nucleolar Stress by Interacting with RPS2B in Arabidopsis ” 的研究论文，揭示了蛋白质精氨酸甲基转移酶参与调控高等植物核糖体生物合成并抑制核仁胁迫的分子机制。

该团队前期研究工作发现拟南芥蛋白质精氨酸甲基转移酶AtPRMT3功能缺失突变体atprmt3-2表现出真叶变尖、种子萌发滞后、主根变短、对翻译抑制剂响应异常和多聚核糖体谱式紊乱等多效的类似核糖体相关突变体的生长发育缺陷。进一步研究揭示高等模式植物拟南芥中存在两条可变的pre-rRNA加工通路，并且AtPRMT3通过促进pre-rRNA的可变加工通路的平衡进而参与调控核糖体生物合成过程，促进植物生长发育 (Hang et al., 2014, PNAS)。

为了进一步探索AtPRMT3参与pre-rRNA可变加工通路平衡进而促进核糖体生物合成的分子机理，研究团队采用了正向遗传学策略，并成功筛选到atprmt3-2的若干显性抑制子，它们皆能有效地恢复atprmt3-2的发育缺陷表型和pre-rRNA加工异常的分子表型。重测序分析和DNA测序验证发现在这些显性抑制子中，atprmt3-2的T-DNA插入位点的上游编码区发生提前终止突变，进而促进了AtPRMT3-N端截短蛋白的合成。

鉴于该N端截短蛋白含有完整的C2H2类型锌指结构域，而精氨酸甲基转移酶酶活关键的Double-E结构域则被完全破坏，作者推测AtPRMT3的生物学功能不依赖其酶活活性，并通过一系列遗传互补实验证实了该假设。由于锌指结构往往参与分子间互作，该团队进一步通过免疫沉淀(IP)结合液相串联质谱(LC-MS/MS)技术鉴定获得了AtPRMT3的植物内源互作蛋白---核糖体小亚基蛋白RPS2家族蛋白，包含2A、2B、2C和2D四个成员。其中RPS2A和RPS2B的同源性非常高，只有一个氨基酸的差异。转录组分析和遗传互补实验表明RPS2B的表达量远高于RPS2A，且在体内发挥着主效功能。

rps2a2b-1 突变体表现出与atprmt3-2相似的生长发育缺陷和pre-rRNA可变加工异常，而三突变体则表现胚胎致死表型，表明RPS2B与AtPRMT3在协同调控核糖体生物合成过程中具有重要功能。随后通过RNA免疫沉淀实验、IP-LC-MS/MS、以及分子筛实验发现当AtPRMT3发生缺失突变后，RPS2B与90S/SSU核糖体前体加工复合体组分相互作用显著增强，且90S/SSU核糖体前体加工复合体中U3 snoRNP核心蛋白在atprmt3-2中明显滞留在大分子复合体中，表明核糖体前体加工和动态组装的滞后，这可能是造成atprmt3-2中pre-rRNA可变加工方式失衡的直接原因。atprmt3-2中核糖体前体复合体动态组装的紊乱进一步引发包括核仁异常增大在内的核仁胁迫/核糖体胁迫，导致异常的生长发育表型。

综上所述，该研究阐明了AtPRMT3及其互作蛋白RPS2B在调控核内90S/SSU加工复合体的动态组装、下游核糖体的加工组装和核仁胁迫过程中的重要功能。在酵母、小鼠和人类细胞中PRMT3与RPS2也同样存在互作，因此该调控机制可能是保守的。该研究不仅揭示了拟南芥精氨酸甲基转移酶AtPRMT3调控核糖体生物合成和植物生长发育的分子机理，也为其他物种中的相关研究提供了理论基础。

中国科学院遗传与发育生物学研究所博士后杭润来和王震为论文共同第一作者，曹晓风研究员，刘春艳副研究员和孙婧助理研究员为论文共同通讯作者。深圳大学莫蓓莘教授和美国加州大学河滨分校陈雪梅教授参与了研究工作。该工作得到国家自然科学基金委、中国科学院先导专项、中国科学院前沿科学重点研究计划和植物基因组学国家重点实验室的资助。