NAR |?郭強(qiáng)課題組揭示真核生物核糖體RNA擴(kuò)展片段介導(dǎo)核糖體二聚休眠的新機(jī)制

核糖體是由蛋白質(zhì)和核糖體 RNA （ rRNA ）構(gòu)成的大型分子機(jī)器， 承擔(dān)著細(xì)胞內(nèi)全部蛋白質(zhì)合成的核心功能。蛋白質(zhì)合成是細(xì)胞中能量消耗最高的過程之一，因此在受到外界脅迫時(shí)，細(xì)胞往往會(huì)迅速降低整體翻譯水平。 在細(xì)菌中， 除了對(duì)單個(gè)核糖體翻譯活性的調(diào)控外，細(xì)胞還可在環(huán)境應(yīng)激條件下依賴休眠因子促使核糖體形成二聚體，從而實(shí)現(xiàn)更高層次的翻譯調(diào)控【1】。 這種休眠狀態(tài)有利于核糖體的儲(chǔ)存和保護(hù)，維持核糖體群體的穩(wěn)定性，并在應(yīng)激解除后促進(jìn)翻譯的快速恢復(fù)【2】。 然而，真核細(xì)胞中是否存在類似的、通過調(diào)控核糖體空間拓?fù)浣M織來調(diào)節(jié)翻譯活性的機(jī)制，長期以來尚不清楚。

近日，北京大學(xué)郭強(qiáng)課題組在 Nucleic Acids Research 雜志在線發(fā)表了題為 rRNA expansion segments mediate ribosome dimerization as a conserved stress response 的研究論文。該研究利用冷凍電子斷層掃描成像（ cryo-ET ）技術(shù)，在細(xì)胞原位解析了核糖體的翻譯活性與空間分布形式，揭示了動(dòng)物細(xì)胞中核糖體通過rRNA擴(kuò)展片段形成二聚體的分子機(jī)制，并闡明該過程是一種保守的應(yīng)激響應(yīng)，參與翻譯調(diào)控。

在本研究中，利用 cryo-ET 對(duì)大鼠神經(jīng)元進(jìn)行原位觀察，并結(jié)合課題組此前開發(fā)的鄰近分子拓?fù)浞治龇椒?NEMO - TOC【3】， 發(fā)現(xiàn)應(yīng)激誘導(dǎo)條件下核糖體會(huì)形成兩種無活性的二聚體結(jié)構(gòu)（圖1）。 值得注意的是，這兩種二聚體中的核糖體相互作用分別由 rRNA 擴(kuò)展片段 ES31b ，以及 ES30a 和 ES20a 介 導(dǎo)，并通過 “kissing-loop” 方式實(shí)現(xiàn)二聚化；這一機(jī)制隨后又在生化實(shí)驗(yàn)中得到了進(jìn)一步驗(yàn)證（圖1E）。 rRNA 擴(kuò)展片段是真核核糖體特有的 rRNA 序列，其在進(jìn)化過程中具 有顯著的序列差異，因此長期以來常被視為核糖體中的 “ 結(jié)構(gòu)性冗余 ” 區(qū)域，相關(guān)功能研究相對(duì)有限【4】。 本研究首次表明，特定的rRNA擴(kuò)展片段可在應(yīng)激條件下直接介導(dǎo)核糖體二聚化。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，這種核糖體二聚化現(xiàn) 象在嘌呤霉素處理、氨基酸缺乏以及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激等多種條件下均可發(fā)生，并在應(yīng)激解除后迅速消失，顯示出明顯的動(dòng)態(tài)可逆性。

值得一提的是，在本研究審稿期間，Science雜志發(fā)表了題為Ribosomal RNA expansion segments mediate the oligomerization of inactive animal ribosomes的 相關(guān) 研究【5】。 該工作進(jìn)一步證明，核糖體二聚體對(duì)于維持細(xì)胞在應(yīng)激狀態(tài)下的存活具有重要作用。與 Science 論文 僅報(bào)道 由 ES31b 介 導(dǎo)的一種二聚體結(jié)構(gòu)相比，本研究還進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了另一種由 ES30a 和 ES20a 介 導(dǎo)的核糖體二聚體。結(jié)合課題組此前在 U2OS 細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的由 ES27L 介 導(dǎo)的核糖體二聚體【6】， 這些結(jié)果共同提示：rRNA擴(kuò)展片段的不同區(qū)域可能通過介導(dǎo)休眠核糖體二聚體的形成，廣泛參與真核細(xì)胞的翻譯調(diào)控。

圖 1 ： rRNA 擴(kuò)展片段 介 導(dǎo)的核糖體二聚化機(jī)制。 A–D. 核糖體 rRNA 擴(kuò)展片段 ES31b 介 導(dǎo)二聚體的形成。 E. RNA 競爭實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證二聚體相互作用界面； F–I. 核糖體 rRNA 擴(kuò)展片段 ES30a 和 ES20a 介導(dǎo) 的另一類 二聚體形成。

綜上，本研究確立了rRNA擴(kuò)展片段在應(yīng)激誘導(dǎo)核糖體休眠二聚化過程中的核心作用，拓展了對(duì)翻譯調(diào)控機(jī)制的認(rèn)識(shí)。不同于原核細(xì)胞依賴休眠因子實(shí)現(xiàn)核糖體失活與儲(chǔ)存的方式，真核細(xì)胞可直接利用核糖體自身的rRNA元件，實(shí)現(xiàn)快速且可逆的應(yīng)激響應(yīng)，為理解翻譯調(diào)控的空間組織原則提供了新的視角。

北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院郭強(qiáng)研究員、凱斯西 儲(chǔ)大學(xué) Derek J Taylor 、 Maria Hatzoglou 為本論文共同通訊作者，郭強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室江文宏博士（現(xiàn)為湖北工業(yè)大學(xué)副教授）、博士 研究 生陳晨、王星為共同第一作者。

原文鏈接：https://doi.org/10.1093/nar/gkag354

制版人： 十一

參考文獻(xiàn)

[1] Matzov, D. et al. The cryo-EM structure of hibernating 100S ribosome dimer from pathogenic Staphylococcus aureus.Nature Communications8 , 723, (2017).

[2] Feaga Heather, A., Kopylov, M., Kim Jenny, K., Jovanovic, M. & Dworkin, J. Ribosome Dimerization Protects the Small Subunit.Journal of Bacteriology202 , 10.1128/jb.00009-00020, (2020).

[3] Jiang, W. et al. A transformation clustering algorithm and its application in polyribosomes structural profiling.Nucleic Acids Research50 , 9001-9011, (2022).

[4] Hariharan, N., Ghosh, S. & Palakodeti, D. The story of rRNA expansion segments: Finding functionality amidst diversity.WIREs RNA14 , e1732, (2023).

[5] Schwarz, A. et al. Ribosomal RNA expansion segments mediate the oligomerization of inactive animal ribosomes.Science391 , eadr4287, (2026)

[6] Wu, Y. et al. Translation landscape of stress granules.Science Advances11 , eady6859, (2025).

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