核糖體是細(xì)胞中負(fù)責(zé)蛋白質(zhì)翻譯的分子機(jī)器，在人源細(xì)胞中，40S小亞基由18S rRNA以及33種小亞基蛋白組成，60S大亞基由28S rRNA、5S rRNA、5.8S rRNA和47種大亞基蛋白組成。核糖體組裝是一個復(fù)雜且高度耗能的過程，在真核細(xì)胞中，超過200個組裝因子參與到核糖體亞基的組裝過程中。這些組裝因子參與了rRNA的轉(zhuǎn)錄、加工、修飾及折疊，核糖體蛋白的修飾及組裝，以及核糖體的構(gòu)象成熟和出核轉(zhuǎn)運等一系列過程。臨床研究發(fā)現(xiàn)，人源核糖體蛋白或組裝因子的突變與一類遺傳發(fā)育疾病有直接關(guān)系，這類疾病被統(tǒng)稱為核糖體病（Ribosomopathy）。由于核糖體的合成或功能的缺陷，這些疾病通常具有造血功能受損與癌癥易感性增加的特征。除此之外，核糖體組裝的活性異常上調(diào)也是很多類型癌癥細(xì)胞的一個重要特征。

以釀酒酵母為模式生物，真核生物核糖體組裝的結(jié)構(gòu)研究已經(jīng)揭示了大、小亞基不同組裝階段（從核仁、核質(zhì)到細(xì)胞質(zhì)）的高分辨結(jié)構(gòu)，數(shù)目眾多的組裝因子的分子功能獲得了解釋。真核細(xì)胞的核糖體組裝被認(rèn)為是一個保守的過程，但是人源細(xì)胞的核糖體具有更高程度的復(fù)雜性，并且人源細(xì)胞被報道使用額外的組裝因子進(jìn)行核糖體組裝過程。在過去的幾年里，人源40S亞基相關(guān)的一系列組裝中間體結(jié)構(gòu)已經(jīng)獲得了解析，但是研究者對人源60S亞基組裝的結(jié)構(gòu)研究仍然局限在其出核轉(zhuǎn)運前后的階段。

近日，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院高寧課題組在Cell Research雜志在線發(fā)表題為“Visualizing the nucleoplasmic maturation of human pre-60S ribosomal particles”的研究論文，揭示了人源核糖體大亞基細(xì)胞核質(zhì)內(nèi)的成熟過程。

本研究以細(xì)胞核定位的組裝因子GNL2為誘餌，通過在其C端加入親和標(biāo)簽進(jìn)行純化，并通過冷凍電鏡解析了11個組裝前體復(fù)合物的高分辨率結(jié)構(gòu)（圖1）。這些高分辨率的結(jié)構(gòu)快照近乎以時間分辨率揭示了核糖體大亞基組裝過程中兩個主要結(jié)構(gòu)重塑事件（Rotation of the Central Protuberance，中央突起作為整體的旋轉(zhuǎn)；Removal of the ITS2，內(nèi)轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)2的去除）的詳細(xì)信息，并且提供了相比模式生物釀酒酵母中相關(guān)結(jié)構(gòu)更加豐富的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。另外，本研究還發(fā)現(xiàn)了兩個新的組裝因子L10K和C11orf98。其中，L10K早在30多年前首次被報道為大鼠腫瘤相關(guān)蛋白，但其確切功能此前仍不清楚，本研究首次證實了L10K作為組裝因子的作用。結(jié)構(gòu)分析表明，許多組裝因子在核糖體同一位置作為連續(xù)的占位符來控制組裝因子結(jié)合和解離的時機(jī)，并且表現(xiàn)出不同結(jié)構(gòu)域的多相結(jié)合特性。通過這種復(fù)雜的相互依賴關(guān)系，來引導(dǎo)rRNA逐漸到達(dá)成熟構(gòu)象。論文關(guān)注到與mRNA翻譯過程的分子機(jī)制嚴(yán)密相關(guān)的區(qū)域，比如P-loop（大亞基上與P位點tRNA相互作用的區(qū)域），本研究發(fā)現(xiàn)組裝因子SDAD1促進(jìn)了RNA螺旋H80折疊和P-loop的形成。關(guān)于大亞基肽基轉(zhuǎn)移酶中心（PTC）的成熟過程，本研究發(fā)現(xiàn)PTC的成熟過程開始于RNA螺旋H92的構(gòu)象變化，并且GTPaseGNL2感知H92的構(gòu)象變化啟動GTP水解過程，進(jìn)而使得大亞基組裝過程繼續(xù)進(jìn)行，說明GNL2的GTP水解可能作為上游組裝事件的質(zhì)量檢查點，起到監(jiān)控PTC成熟的作用?？傮w而言，本研究的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)表明，人源核糖體大亞基細(xì)胞核質(zhì)內(nèi)的成熟過程大體上在事件上是線性逐進(jìn)的，但也存在平行組裝途徑。

此項工作整體結(jié)論表明人源核糖體大亞基在細(xì)胞核質(zhì)的組裝過程與釀酒酵母高度保守，人源核糖體亞基的組裝在動力學(xué)以及調(diào)控機(jī)制上和模式生物酵母具有更大的差別。本研究提供的連續(xù)的結(jié)構(gòu)快照和豐富的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)對于理解真核生物大亞基組裝過程提供了重要的分子基礎(chǔ)。

高寧是本文的通訊作者，高寧實驗室2018級博士研究生張云陽為本文第一作者。本研究得到了國家自然科學(xué)基金委、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心、膜生物學(xué)國家重點實驗室、北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院啟東產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新基金的經(jīng)費支持，以及冷凍電鏡平臺、北京大學(xué)電鏡實驗室、高性能計算中心、生科院儀器中心及鳳凰工程的技術(shù)支持。本研究也部分得到了昌平實驗室的支持。

圖1 處于細(xì)胞核內(nèi)不同組裝時期的人源核糖體大亞基組裝前體（pre-60Sribosomalparticles）的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)

來源：北京大學(xué)