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责编丨迦 溆 核糖体是一类保守的细胞器，负责中心法则中的翻译过程，将遗传信息翻译为蛋白质。真核细胞80S核糖体是由40S小亚基和60S大亚基组成，其中，40S小亚基包含18S rRNA和33个核糖体蛋白（RPS），60S大亚基包含25/28S、5.8S、5S rRNA以及约47个核糖体蛋白（RPL）【1】. 2009年，Ada Yonath、Thomas Steitz和Vendatraman Ramakrishnan三位教授因在核糖体晶体结构解析方面作出的重大贡献荣获诺贝尔化学奖。此后，关于核糖体翻译过程中的结构研究日趋完善，但对核糖体组装过程的研究却很少。 核糖体的组装是细胞内最耗能的过程之一。以酵母为例，首先RNA聚合酶1在核仁区域转录生成35S rRNA前体（人源细胞中是47S rRNA前体），包含18S、5.8S和25S。继而一系列的组装因子和核糖体蛋白陆续组装在rRNA前体上形成新的转录中间体，其中最先形成的是90S核糖体前体。再经过A2或A3位点的切割，核糖体的生成途径被分成40S小亚基成熟途径和60S大亚基成熟途径。两个亚基的前体从核仁区进入核质，在转运因子的帮助下穿过核孔复合物到达细胞质，并在细胞质中转变为最终的成熟的核糖体亚基【2，3】。 虽然人与酵母中绝大多数的组装因子同源，但是人源核糖体的组装更加复杂：人源rRNA前体序列更长，需要更加复杂的剪切机制；人源核糖体组装过程中有更多的组装因子参与；人源核糖体组装受更加复杂的信号通路的调节等【4】。自上世纪70年代人们第一次发现核糖体组装中间体【5】，到接下来的25年期间，人们相继纯化了一系列的组装中间体，对这些中间体的生化研究揭示了核糖体组装过程是一个顺序的过程，有多于200个的组装因子参与其中。但是对于其结构的研究开始较晚，且一直集中在酵母和噬热真菌中。仅于2016年一来自法国的研究组报道了一个人源的细胞质中40S小亚基前体的冷冻电镜结构，而且分辨率只有19Å【6】。 程净东博士所在的Roland Beckmann教授研究组是世界上最早开展核糖体组装结构研究的实验室之一，解析了一系列60S大亚基以及40S小亚基中间体的结构【7-11】，并且一直处于世界领先。其中程净东博士在2017年Nature structural & Molecular biology杂志发表的3.2-Å-resolution structure of the 90S preribosome before A1 pre-rRNA cleavage一文中第一次构建了噬热毛壳菌中40S小亚基中间体90S核糖体前体的分子结构，该结构包含50多个蛋白亚基和2条RNA链，是迄今已知的细胞内最大的蛋白-RNA复合物之一，从结构层面向我们展示了早期核仁区40S小亚基核糖体前体的结构【12】。 近日，程净东博士和他的同事在Nature杂志上发表了题为“Visualizing late states of human 40S ribosomal subunit maturation”的研究长文，向我们进一步展示了核质和细胞质中人源40S小亚基核糖体前体的结构【13】。 研究人员采用体内纯化和体外组装的方式，共得到6种晚期40S小亚基核糖体前体的冷冻电镜结构，其中两个状态的最终分辨率为3.6Å，作者构建了这两个状态的完整结构，包括组装因子BUD23、TRMT112 、TSR1、RIOK1、RIOK2、ENP1、LTV1、PNO1 和NOB1。 通过对不同中间体的分析，作者观察到了40S小亚基的三个重要的成熟过程。首先是40S小亚基头部的成熟。最早期的中间态中，参与核糖体前体转运的组装因子RRP12还结合在了40S核糖体前体的头部，从而阻止了18S rRNA中h35-h40结合在它们的成熟位置。随着成熟过程的进行，h35-h37首先结合在它们的成熟位置，同时招募uS2、uS5、eS21核糖体蛋白和NOB1、LTV1组装因子，然后是h38-h40的成熟并招募RACK1、eS12、eS31核糖体蛋白，最后随着ENP1、LTV1的离开，uS3、eS10、uS10、uS14蛋白进入它们的成熟位置，最终形成成熟的40S小亚基的头部。 然后是mRNA的进入通道和解码中心（decoding center）的成熟过程。解码中心起初被BUD23和TRMT112复合物占据，然后被LTV1和RIOK2占据，再后来是RIOK1。同样的，mRNA进入通道先是被RIOK2占据，然后是X因子（未能鉴别），最后是RIOK1。通过这样的机制，细胞可以保证未成熟的40S小亚基不会错误的结合mRNA。最后是18S rRNA 3’端的成熟过程。从始至终这一位点都被PNO1蛋白保护着，导致核酸酶NOB1无法在这一位点切割。作者推测，RIOK1或者成熟的60S或可作为一种机制来检测40S的成熟状态，一旦40S通过检测，PNO1蛋白就会解离并释放出3位点以被NOB1识别并切割，同时，被PNO1释放的位点会被eS26结合，从而最终成为成熟的40S小亚基。 这篇文章展示了第一个高分辨的人源核糖体组装中间体的结构，为我们呈现了完整的晚期40S小亚基成熟的过程，并揭示了人源和酵母核糖体组装的不同之处，对我们理解人的核糖体的组装具有重要意义。 程净东博士毕业于复旦大学，现于慕尼黑大学基因中心从事博士后研究，主要利用冷冻电镜技术研究核糖体的调控和组装，发表论文16篇，其中第一或共同第一作者发表SCI论文9篇（包括Nature 2篇，Cell 1篇，Nature structural & Molecular Biology 1篇，Nature communications 2篇）。 参考文献 1. L. Jenner et al., Crystal structure of the 80S yeast ribosome. Current opinion in structural biology 22, 759-767 (2012). 2. J. L. Woolford, Jr., S. J. Baserga, Ribosome biogenesis in the yeast Saccharomyces cerevisiae. Genetics 195, 643-681 (2013). 3. E. Thomson, S. Ferreira-Cerca, E. Hurt, Eukaryotic ribosome biogenesis at a glance. Journal of cell science 126, 4815-4821 (2013). 4. A. K. Henras, C. Plisson-Chastang, M. F. O'Donohue, A. Chakraborty, P. E. Gleizes, An overview of pre-ribosomal RNA processing in eukaryotes. Wiley interdisciplinary reviews. RNA 6, 225-242 (2015). 5. S. A. Udem, J. R. Warner, Ribosomal RNA synthesis in Saccharomyces cerevisiae. Journal of molecular biology 65, 227-242 (1972). 6. N. Larburu et al., Structure of a human pre-40S particle points to a role for RACK1 in the final steps of 18S rRNA processing. Nucleic acids research 44, 8465-8478 (2016). 7. B. Bradatsch et al., Structure of the pre-60S ribosomal subunit with nuclear export factor Arx1 bound at the exit tunnel. Nature structural & molecular biology 19, 1234-1241 (2012). 8. C. Leidig et al., 60S ribosome biogenesis requires rotation of the 5S ribonucleoprotein particle. Nature communications 5, 3491 (2014). 9. C. Barrio-Garcia et al., Architecture of the Rix1-Rea1 checkpoint machinery during pre-60S-ribosome remodeling. Nature structural & molecular biology 23, 37-44 (2016). 10. A. Heuer et al., Cryo-EM structure of a late pre-40S ribosomal subunit from Saccharomyces cerevisiae. eLife 6, (2017). 11. L. Kater et al., Visualizing the Assembly Pathway of Nucleolar Pre-60S Ribosomes. Cell 171, 1599-1610 e1514 (2017). 12. J. Cheng, N. Kellner, O. Berninghausen, E. Hurt, R. Beckmann, 3.2-A-resolution structure of the 90S preribosome before A1 pre-rRNA cleavage. Nature structural & molecular biology 24, 954-964 (2017). 13. M. Ameismeier, J. Cheng, O. Berninghausen, R. Beckmann, Visualizing late states of human 40S ribosomal subunit maturation. Nature, (2018).
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