主题:核糖体

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生物物理所解析90S核糖体组装前体的冷冻电镜结构

核糖体是由RNA和大量蛋白质构成的大型分子机器,负责地球上所有生物的蛋白质合成。在真核生物中,核糖体组装是个非常复杂的过程。核糖体在成熟过程中需要和大量的组装因子暂时结合,形成了一系列核糖体前体复合物...即将发布

日期:2017年3月16日 - 来自[技术要闻]栏目

叶绿体核糖体RNA加工分子机制研究获进展

RNA操作是目前研究的热点之一。要实现精确的RNA操作,需要特异地识别靶向目标RNA分子并对其进行剪切。但到目前为止,这类序列特异的RNA内切酶在自然界中还没有被发现。因此,寻找一类序列特异的RNA内...即将发布

日期:2017年2月9日 - 来自[技术要闻]栏目

清华学者在《自然》发文揭示新的non-stop mRNA翻译终止机制

 

2016年12月1日,清华大学生命科学学院、结构生物学高精尖创新中心高宁课题组和合作者在《Nature》在线发表题为Mechanistic insights into the alternative translation termination by ArfA and RF2的研究论文。该论文报道了大肠杆菌中non-stop mRNA在核糖体上的翻译终止状态复合物的高分辨冷冻电镜结构,并揭示了ArfA在non-stop mRNA翻译终止过程中的作用机制。

核糖体上的蛋白翻译是一个非常复杂的过程,包括翻译起始、延伸和终止等多步严密调控的步骤。在细菌中,当蛋白翻译进行到mRNA上的终止密码子时,翻译终止因子RF1或RF2可以直接识别终止密码子,结合到核糖体上的活性中心,催化释放共价偶联在肽酰tRNA 3’末端上的新生肽链,这个过程受RF1/RF2上保守的催化活性基序Gly-Gly-Gln(GGQ)序列的调控。在细胞中,由于转录提前终止、mRNA错误加工、药物或者物理损伤等会导致细胞中产生缺少终止密码子的mRNA,这类mRNA被称为non-stop mRNA。当核糖体移动到non-stop mRNA的3’末端时,由于缺少终止密码子对RF1/RF2的激活作用,核糖体会停滞在mRNA的3’末端并且不能够进行正常的翻译终止。细胞中积累过多停滞的核糖体会产生毒性,真核生物和原核生物都进化出了相应的质量控制体系来回收这些核糖体。在细菌中,一类针对non-stop mRNA的挽救系统依赖于一种小蛋白ArfA(alternative ribosome rescue factor A)。现有的少量遗传和生化数据表明,当核糖体停滞在non-stop mRNA的3’末端时,ArfA结合到核糖体上的解码活性中心,招募并激活RF2的肽酰水解活性,从而释放新生肽链。然而,众多机制相关的问题尚不清楚,例如ArfA是如何激活RF2的水解功能?ArfA如何区分不同长度mRNA结合的核糖体?

高宁课题组在体外组装了ArfA/RF2、non-stop mRNA、tRNA与70S核糖体的复合物,并获得了该复合物的高分辨冷冻电镜结构(3埃分辨率,核心区域接近2.6埃)。结构表明ArfA C端的loop结合于核糖体30S小亚基上的mRNA进入通道,并部分地占据了终止密码子的结合位点,而N端则直接与30S解码中心及RF2相互作用。进一步的分析表明ArfA扮演了两个重要的角色:其N端作为mRNA长度的感受器(Sensor),如果核糖体尚未行进到mRNA的3’末端,mRNA进入通道内的核苷酸会阻碍ArfA的结合;其C端则通过和RF2直接结合,从功能上补偿了终止密码子对RF2的激活效应。

这项研究展示了自然界的一种奇妙的功能模拟机制:具有极大结构柔性的小蛋白可以通过结构模拟来取代mRNA上的三碱基终止密码子的功能。值得一提的是,在这项工作发表的同一天,Nature和Science同时在线发表了来自德国(慕尼黑大学Wilson实验室)和英国(MRC Ramakrishnan实验室,2009 Nobel化学奖)科学家的相似的工作。

图:ArfA在核糖体上的结合位点

高宁研究组的博士生马成英和日本弘前大学(Hirosaki University)的Daisuke Kurita博士为该论文的共同第一作者。高宁和Hyouta Himeno教授为共同通讯作者。高宁研究组成员李宁宁和陈燕也参与了本课题的研究。冷冻电镜数据采集得到了国家蛋白质科学设施(北京)的清华大学冷冻电镜平台支持,数据处理得到国家蛋白质科学设施(北京)清华大学高性能计算平台的支持。部分计算处理也得到了了北京大学生命联合中心高性能计算平台的支持。本工作获得清华大学结构生物学高精尖创新中心、教育部蛋白质科学重点实验室、科技部重大科学研究计划专项、国家自然科学基金委等的经费支持。

 

日期:2016年12月5日 - 来自[RNA研究]栏目

翻译因子EF4给核糖体挂“倒挡”

中国科学院生物物理所秦燕课题组和清华大学高宁课题组合作,揭示了核糖体在蛋白翻译过程中“倒退”的分子机理,即翻译因子EF4通过释放肽酰tRNA的3’末端催化核糖体的倒退运动。相关成果1月26日凌晨在线发表于《自然—结构与分子生物学》。

核糖体是生命出现前的最后一个必需要素,被生物学家称为地球上所有生命共同唯一祖先的最后成分。“在生命出现前,核糖体的出现标志着以核酶催化合成蛋白的体系的成功建立,使得生物核心活性分子——蛋白质的大规模生产成为可能,从而为生物反应的多样性和复杂性提供物质基础。以核糖体为核心的蛋白质翻译体系,是生命活动中最古老和最核心的分子体系,对细胞内的绝大部分分子体系都有重要的调控功能。”秦燕在接受《中国科学报》记者采访时说。但由于核糖体的复杂性和易降解性,对实验条件和技术平台要求很高,使相关研究挑战重重。

此前,秦燕研究组找到了催化核糖体倒退的酶,将其命名为翻译延长因子4(EF4)。“EF4的分子功能是催化核糖体内的tRNA逆向移位,使核糖体沿着mRNA倒退,从而调控蛋白质的合成过程。”秦燕说。此次核糖体倒退机理的阐述,揭示了核糖体运动双向性机制,“即核糖体在前进过程中也可以倒退,而EF4就是它的‘倒挡’”。

研究对理解核糖体在生命过程中发挥的重要作用提供了分子基础,对于人类进一步认识生命过程具有重要指导意义。从应用前景来看,依据得到的EF4催化机理,研究人员可对病原菌的翻译过程进行人工干预,进而为新型抗生素的研发提供理论基础。

日期:2016年1月27日 - 来自[技术要闻]栏目

中科院科学家在核糖体再循环机制方面取得新进展

 2015年 10月 3日,中国科学院生物物理所秦燕课题组在核酸类重要学术杂志《核酸研究》(Nucleic Acids Research)上发表了题为“New insights into the enzymatic role of EF-G inribosome recycling”的论文,报道了他们在蛋白翻译核糖体再循环过程中延伸因子EF-G所起作用方面的工作进展。

蛋白质翻译是生命活动中的重要环节。众所周知,蛋白质翻译是一个包括起始、延伸、终止和再循环四步的循环过程。每一步都与相应翻译GTP酶及其他翻 译因子的帮助。而翻译延伸因子EF-G是唯一一个同时参与延伸与核糖体再循环两个步骤的GTP酶。延伸过程中,EF-G促进(tRNA)2?mRNA由 A、P位点移位到P、E位点;在核糖体再循环过程中,EF-G与再循环因子RRF一起将核糖体翻译终止复合物拆分为大小亚基,并释放mRNA与脱酰基的 tRNA,以便于下一个翻译循环再利用。因此,对于EF-G的研究有助于加深人类对该过程的理解。

研究人员发现,在EF-G参与核糖体再循环过程中,EF-G能够促进再循环因子RRF结构域的转动,打开核糖体大小亚基间形成的一个主要的亚基桥, 从而促进核糖体大小亚基分开以使核糖体进入再循环。实验中研究人员通过一系列蛋白质生化实验和高分辨率的核糖体低温冷冻电镜结构研究,分析到 EFG/RRF与翻译终止复合物的相互作用,EFG结构域IV的loop II能够打断30S亚基44螺旋与50S亚基69螺旋之间的亚基桥B2a,才能使核糖体大小亚基分开。 

日期:2015年10月15日 - 来自[技术要闻]栏目

Nature里程碑式研究成果:首个人造核糖体

来自伊利诺伊大学和西北大学的研究人员构建出了一种亚基栓系在一起的核糖体,它几乎能像真正的细胞器一样发挥作用,在细胞内合成所有的蛋白质和酶。这一工程核糖体或可用来生成一些新的药物和新一代的生物材料,并促成更深入地了解核糖体的功能。

这一称作为Ribo-T的人造核糖体,是由伊利诺伊大学药学院生物分子科学中心主任Alexander Mankin及西北大学化学与生物工程系助理教授Michael Jewett的实验室合作构建出来的。研究人员或许可以在实验室中操控这一人造核糖体完成一些天然核糖体无法做到的事情。

在蛋白质生成过程中,细胞会首先将DNA转录为信使RNA(mRNA)。然后核糖体的两个大小亚基(两者都是由RNA和蛋白质构成)结合到mRNA上形成功能单位,在翻译过程中装配出蛋白质。一旦完成蛋白质合成,核糖体亚基会彼此分离。

在发表于《自然》(Nature)杂志上的一项新研究中,研究人员描述了他们设计出这一亚基无法分离的核糖体Ribo-T的过程及其它的特性。人们或许可以调节Ribo-T来生成一些独特的功能性聚合物(polymer)探索核糖体的功能,或是开发出一些设计疗法——甚至在某一天生成一些非生物聚合物。

此前从未有人开发过这类东西。

Mankin说:“我们感觉只有很小很小的机会Ribo-T能够起作用,我们真的不是很确定。”

在每一个蛋白质合成周期中核糖体的亚基都会结合及分离,这让Mankin、Jewett和同事们在他们的研究中感觉受挫。能够让这些亚基永久地连接在一起吗?研究人员设计出了一种亚基栓系在一起的新颖设计核糖体Ribo-T。

Jewett说:“我们最终证实了,通过构建出两个亚基共享一条核糖体RNA ,由这些小栓绳而将亚基连接在一起的工程核糖体,我们实际上制造出了一个双翻译系统。”

“令人惊讶的是,我们的杂交嵌合RNA能够支持细胞中功能性核糖体的装配。这一亚基栓系在一起的核糖体能够在缺乏野生型核糖体的情况下支持生长更是令我们感到惊喜。”

Ribo-T甚至比Mankin和Jewett预想的还能更好地运作。Ribo-T不仅在试管中制造出了蛋白质,它还在缺乏天然核糖体的细菌细胞中生成了足够的蛋白使得细菌存活下来。

对此Mankin和Jewett感到非常惊讶。科学家们以往认为,两个核糖体亚基分离是蛋白质合成的必要条件。

“显然这一假设是错误的,”Jewett说。

“我们的新蛋白质制造工厂为以一种独特及革命性的方式扩充遗传密码带来了希望,为合成生物学及生物分子工程学提供了令人兴奋的机会,”Jewett说。

“通过采用从前无法触及的、蛋白质合成机器最关键的组件来开展实验,我们为探究核糖体的功能提供了一个令人兴奋的新工具,”Mankin说。

日期:2015年8月7日 - 来自[技术要闻]栏目

首个人工核糖体设计出炉 能合成新药与新生物材料

    美国伊利诺伊大学芝加哥分校和西北大学的研究人员设计出一种人工核糖体,它们可以像自然核糖体一样在细胞内部产生蛋白质和酶。该方法可用于生产新型药物和下一代生物材料,进而帮助科学家更好地理解核糖体的功能。
    当细胞产生蛋白质的时候,从DNA复制出mRNA(信使核糖核酸)。核糖体的两个亚基(由RNA和蛋白质构成)一个较大、一个较小,它们与mRNA共同作用,构成转录过程中组装蛋白质的一种功能单位。一旦蛋白质分子完成,核糖体的两个亚基自动分道扬镳。
    研究人员对于核糖体亚基在每一个蛋白周期中都会分开又合并的情况感到很沮丧,因此他们设计出将两个亚基永远链接在一起的方案。在发表于最近一期《自然》杂志中的研究论文中,研究人员描述了被称为“Ribo-T”的人工核糖体的设计和属性,并重点强调了它的两个亚基最终不会被分开。
    据物理学家组织网报道,在实验室中对这种人工核糖体进行操控,可以让它们做一些自然核糖体做不到的事情——生产具有独特功能的聚合物以深入探索核糖体功能,或许某天还能生成非生物聚合物。
    令人惊喜的是,人工核糖体不仅可以在细胞中形成天然核糖体具有的功能,在缺乏核糖体的细胞中,它也能支持生命的生长,比如它可以在缺乏天然核糖体的细菌细胞中产生足够的蛋白质,进而保证了细菌继续存活。
    这一事实推翻了此前科学界认为的“核糖体两个亚基的分开是由蛋白质合成驱动”的观点。
    研究人员认为,新的人工核糖体制造方法为合成生物学和生物分子工程提供了良好的发展机遇,这种探索核糖体功能的工具绝对是全新而又让人兴奋的。(中国科技网-科技日报)

日期:2015年8月4日 - 来自[新药]栏目

最新发现:生命进化或由核糖体驱动 而非DNA


生命进化或由核糖体驱动而非DNA

据科学日报报道,自从发现DNA是如何编码遗传信息起,大多数有关生命进化的研究都关注于基因。根据“自私基因”理论,细胞和生物体的存在只是作为保护和传递基因的包裹。而最新的一项研究挑战了这一理论,它提出如果任何个体是“自私的”,那么它一定是核糖体。这一发现将终结我们对生命进化的全部理解,以及核糖体本身的功能。

生命的进化最初出现的是什么?在此之前,科学家们的回答只有三个字:DNA。但在期刊《理论生物学》上发表的父女合作的一项最新研究里,丹麦奥尔胡斯大学梅雷迪斯·鲁特-伯恩斯坦(Meredith Root-Bernstein)博士和美国密西根州立大学的罗伯特.鲁特-伯恩斯坦(Robert Root-Bernstein) 博士提供了证据表明这一问题的答案或可能是另一个:核糖体。

核糖体是所有活体细胞里存在的大型复杂分子。它包含将DNA里的遗传信息转录为可以执行所有细胞工作并组成细胞大部分结构的蛋白质的机制。“核糖体是由三种包裹蛋白质的RNA链组成的,教科书上显示后者是纯结构的,但我们发现核糖RNA曾作为基因,mRNA和tRNA要求制造自身的组成部分——从而产生了现代细胞里的这些结构。” 梅雷迪斯·鲁特-伯恩斯坦博士这样说道。

DNA需要什么?

这一父女科研合作始于梅雷迪斯在重新阅读他父亲罗伯特·鲁特-伯恩斯坦1989年的书籍《发现》。“这本书读到一半时,我受到了我父亲讨论的发现策略,我不禁好奇并查阅了‘DNA究竟需要什么?’将一个大型分子拟人化可能听起来有些奇怪。然而,自私基因理论常常简单表达‘DNA想要自我复制’。但我很好奇这是否真的是DNA想要的。” 梅雷迪斯解释道。

当有机化学家将分子拟人化时,他们说道分子“想要处于能量最低值的构造形式。”这意味着当它们有能量时,分子可以转化成不同的构造,但它们有一个可以回归的静止状态。DNA的静止状态是紧密蜷缩,非常难解开因此研究人员尚未完全理解不同的分子是如何解开和展开它从而进行复制和转化的。

因此,梅雷迪斯意识到,从有机化学的角度看,“DNA究竟需要什么”的问题的答案是:它需要保持蜷缩成结。DNA并不想要复制和转化,因此她得出结论DNA不太可能是进化过程的动态推动者,因此这又引发了另一个问题:那么到底是谁想要复制和转化?

自私的核糖体

对梅雷迪斯和罗伯特来说,答案显而易见:核糖体。它的静止状态是“准备将DNA转化为蛋白质”。此外,核糖体不仅出现在所有生物体的细胞里,它们在所有活的物种里几乎是一模一样的。

核糖体是由两种分子类型组成:蛋白质和RNA。RNA在结构上与DNA非常相似,它以三种形式存在。其中一种形式是核糖体RNA,或者称rRNA,教科书知识表明它是纯结构性的,组成了核糖“机器”的架构或者骨骼。另外两种RNA,信使RNA(mRNA)和转移RNA(tRNA),位于核糖体以外,它主要是帮助核糖体“机器”根据DNA指令组成蛋白质。信使RNA转录了DNA的遗传信息并将其传递给核糖体。转移RNA将信使RNA的信息转化为氨基酸,后者在核糖体上组装形成蛋白质。

受到《发现》的启发,梅雷迪斯将自私基因理论倒置。如果核糖体是“自私的”想要自我复制?核糖体是否会循环核糖体RNA以与蛋白质发生相互作用——从而创造我们现在所知的信使RNA和转移RNA——并在安全存储装配指令时发明了DNA?如果事实的确如此,那么核糖体RNA序列应该与信使RNA和转移RNA,以及编码核糖体蛋白质的DNA的序列相匹配。

罗伯特对这一最新假设进行了测试,他将核糖体RNA与大肠杆菌的所有RNA、DNA以及蛋白质的数据库进行对比。如果核糖体想要自我复制,核糖体RNA必须包含三样人们从未注意到的事物。首先它必须包含编码自身核糖体蛋白质的基因以形成工作“机器”。其次,他必须包含所需的信使RNA将自身的遗传信息传递至“机器”。最后,它还必须编码必要的转移RNA从而将信使RNA转化为蛋白质。

梅雷迪斯和罗伯特显示了核糖体RNA的结构与大肠杆菌里所有以上提到的结构都有着令人惊讶的良好匹配。“我们展示了核糖体RNA包含信使RNA、转移RNA以及编码自身蛋白质结构和功能的‘基因’的痕迹。核糖体并非仅仅是DNA的被动转录者。”罗伯特表示。

自私核糖体模型开启了可以在泥滩、海洋热液喷口甚至闪电过程中形成的简单生物分子与最后普遍共同祖先(last universal common ancestor,简称LUCA)之间的巨大理论空缺。梅雷迪斯补充表示:“可能自私的核糖体渲染了与其它生物之间的亲密关系,我们所有生物只是核糖体的不同归属而已。”

日期:2015年1月13日 - 来自[技术要闻]栏目
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