作為一種通用酶，核糖核酸酶P（RNase P）是一種通用核酶，已在生命的三個王國中發(fā)現(xiàn)。它加工tRNA前體（pre-tRNA）的5'端。RNase P是一種核糖核蛋白復(fù)合物，由單個具有催化能力的RNA組分和可變數(shù)量的蛋白組成。與僅含有一種小蛋白輔因子的細菌RNase P不同的是，古細菌RNase P和真核生物細胞核中的RNase P已進化出相當復(fù)雜的蛋白亞基：古細菌中有5種蛋白亞基，真核生物中有9～10種。這種tRNA前體加工反應(yīng)可通過包括四個不同事件的動力學反應(yīng)機制來加以描述：（1）RNase P (E)快速地和可逆地結(jié)合到pre-tRNA (S)上，從而形成一種初始的RNase P-pre-tRNA復(fù)合物（ES）；（2）一種構(gòu)象變化讓這種ES復(fù)合物以一種鎂離子依賴性的方式發(fā)生異構(gòu)化而產(chǎn)生一種具有催化能力的構(gòu)象異構(gòu)體（ES*）；（3）切割磷酸二酯鍵；（4）pre-tRNA的5'端前導(dǎo)序列快速解離下來，讓成熟tRNA限速釋放。

然而，盡管進行了廣泛的生物化學和遺傳學研究，但是對真核生物細胞核中的RNase P而言，它的蛋白組分的作用以及這些蛋白組分復(fù)雜性增加的原因仍然是未知的。仍然未知的是，作為底物的 tRNA前體，尤其是它的5'端前導(dǎo)序列，如何被真核生物RNase P識別；在催化上起著重要作用的鎂離子在活性位點中是如何配位的；什么化學機制是切割pre-tRNA 5'端的化學機制是什么。高分辨率的真核RNase P結(jié)構(gòu)是解答這些關(guān)鍵問題所必需的。

在一項新的研究中，來自中國上海交通大學醫(yī)學院、中國科學院生物化學與細胞生物學研究所、中國科學院大學、中國科學院大連化學物理研究所、上?？萍即髮W和中國科學技術(shù)大學等研究機構(gòu)的研究人員報道了釀酒酵母RNase P全酶獨自時以及與pre-tRNAPhe結(jié)合在一起時的分辨率為3.5 Å的低溫電鏡結(jié)構(gòu)。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2018年11月9日的Science期刊上，論文標題為“Structural insight into precursor tRNA processing by yeast ribonuclease P”。

這種酵母RNase P全酶由一個具有催化能力的RNA （即Rpr1）和9個蛋白組分組成。Rpr1 RNA采取一種延伸的單層構(gòu)象。這種單層構(gòu)象維持一種中央螺旋核心，但缺乏大多數(shù)讓細菌RNase P保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性所必不可少的長程RNA-RNA相互作用。這些蛋白組分形成相互連接的鉤形結(jié)構(gòu)，這種鉤形結(jié)構(gòu)緊緊地纏繞在Rpr1 RNA的周圍，從而將酵母RNase P穩(wěn)定為一種“測量設(shè)備（measuring device）”。這種“測量設(shè)備”具有兩個固定錨用于識別底物pre-tRNA的L形結(jié)構(gòu)而不是特定序列。

這種“測量裝置”介導(dǎo)與pre-tRNA的初始結(jié)合以形成低親和力的ES復(fù)合物。對tRNA前體的5'端前導(dǎo)序列的識別涉及Rpr1 RNA和蛋白亞基Pop5。兩個在催化上起著重要作用的鎂離子在由Rpr1的高度保守性尿苷U93和磷酸骨架組成的催化中心中與pre-tRNA的易切割的磷酸根離子和O3'離去基團配位在一起。這種基于RNA的催化中心的構(gòu)型在從細菌到真核生物的所有RNase P中都是普遍保守的。pre-tRNA結(jié)合誘導(dǎo)這種催化中心發(fā)生顯著的構(gòu)象變化，這對應(yīng)于產(chǎn)生ES *狀態(tài)的異構(gòu)化步驟。此外，這些研究人員通過模擬分析可視化觀察到pre-tRNA的磷酸二酯鍵水解在機制上的細節(jié)，其中這種磷酸二酯鍵水解是一種由兩個鎂離子介導(dǎo)的雙分子親核取代反應(yīng)（SN2 reaction）。

綜上所述，這項研究中解析出的酵母RNase P結(jié)構(gòu)代表著在機制上理解真核生物RNase P的功能方面邁出的重要一步。這些數(shù)據(jù)支持所有的RNase P都具有一種基于RNA的底物誘導(dǎo)的pre-RNA加工機制。盡管細菌RNase P RNA本身具有催化活性，但是真核生物RNase P是一種受到蛋白控制的核酶，它的蛋白組分不僅直接參與底物識別，而且還讓具有催化作用的RNA穩(wěn)定在一種最適合于pre-tRNA結(jié)合和裂解反應(yīng)的構(gòu)象中。

參考資料：

Pengfei Lan1,*, Ming Tan2,3,*, Yuebin Zhang et al. Structural insight into precursor tRNA processing by yeast ribonuclease P. Science, 09 Nov 2018, 362(6415):eaat6678, doi:10.1126/science.aat6678.

William G. Scott1, Kiyoshi Nagai. Recruiting more proteins to the RNA world. Science, 09 Nov 2018, 362(6415):644-645, doi:10.1126/science.aav4743.

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