細(xì)胞合成蛋白質(zhì)依賴轉(zhuǎn)運RNA（tRNA）的分子。tRNA在蛋白質(zhì)合成中充當(dāng)類似“快遞員”的角色，它們從信使RNA（mRNA）中讀取遺傳信息，并將正確的氨基酸運送到核糖體——細(xì)胞的蛋白質(zhì)合成工廠。然而，在tRNA發(fā)揮作用之前，需要先進(jìn)行適當(dāng)?shù)男藜艉退苄巍?/span>
Kyushu大學(xué)的研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，已知最小的基于蛋白質(zhì)的tRNA處理酶HARP形成了一個由12個蛋白質(zhì)亞基構(gòu)成的星形復(fù)合體，使其能夠同時切割前體tRNA (pre-tRNA)的5'端和3'端。研究人員希望這一發(fā)現(xiàn)能對合成生物學(xué)和生物技術(shù)研究產(chǎn)生廣泛影響，助力開發(fā)人工酶和RNA處理工具。該研究成果已發(fā)表在《Nature Communications》期刊上。
在生物系統(tǒng)中，新合成的RNA分子通常需要加工才能成熟。對于tRNA而言，成熟的關(guān)鍵步驟是切除其末端多余的部分。根據(jù)核酸鏈的方向性，這些末端被稱為5'端和3'端。
負(fù)責(zé)切除tRNA 5'端多余序列（稱為前導(dǎo)序列）的關(guān)鍵酶是RNase P。該酶幾乎存在于所有生命形式中，主要有兩類：一類以RNA為核心組分（RNA型RNase P），另一類則完全由蛋白質(zhì)構(gòu)成（蛋白質(zhì)型RNase P）。RNA型RNase P通常形成大而復(fù)雜的核糖核蛋白復(fù)合體，包含多個蛋白質(zhì)亞基，其研究已有40多年歷史。
相對而言，蛋白質(zhì)型RNase P更為簡化，主要有兩類：PRORP，存在于真核生物（如植物和動物）中；以及HARP（嗜熱菌Aquifex RNase P36的同源物），主要見于某些細(xì)菌和古細(xì)菌。HARP以其小巧的尺寸和獨特的星結(jié)構(gòu)而聞名，但其執(zhí)行復(fù)雜功能的機(jī)制以及獨特組裝方式的原因尚不完全明了。
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圖片信息：HARP是已知最小的基于蛋白質(zhì)的RNase P酶，參與細(xì)菌和古細(xì)菌中的tRNA成熟。
該研究負(fù)責(zé)人、Kyushu大學(xué)農(nóng)業(yè)學(xué)院的Yoshimitsu Kakuta教授表示：“為解析HARP與前體tRNA的結(jié)合方式并闡明其加工機(jī)制，我們采用了低溫電子顯微鏡（cryo-EM）單顆粒分析技術(shù)。”
研究人員發(fā)現(xiàn)，該復(fù)合體呈放射狀結(jié)構(gòu)，五個前體tRNA分子結(jié)合在由十二亞基組成的HARP星形復(fù)合體的結(jié)合位點上。低溫電子顯微鏡分析顯示，這個由12亞基的HARP復(fù)合體如同一個“分子尺”，通過測量前體tRNA從5'端到其“肘部”（TψC環(huán)）的距離來精確定位切割位點。值得注意的是，這種基于距離識別的機(jī)制在其他類型的RNase P酶中也存在，體現(xiàn)了不同生物體間的趨同進(jìn)化。
該研究的第一作者、助理教授 Takamasa Teramoto補(bǔ)充道：“我們的結(jié)構(gòu)分析揭示了HARP加工5'端前導(dǎo)序列的機(jī)制，并發(fā)現(xiàn)功能完整的12亞基HARP復(fù)合體僅結(jié)合了五個前體tRNA分子，而非先前預(yù)測的十個。這意味著復(fù)合體中的12個活性位點有7個處于空閑狀態(tài)。”
為了探究這些空閑位點的功能，研究團(tuán)隊進(jìn)行了體外切割實驗，結(jié)果檢測到一個新的切割產(chǎn)物，對應(yīng)于前體tRNA 3'端多余序列（稱為尾部序列）的切除。這一發(fā)現(xiàn)表明，HARP首先切除5'端的前導(dǎo)序列，隨后利用剩余的空閑活性位點完成3'端多余序列的切割。
Kakuta教授總結(jié)道：“小蛋白HARP的寡聚化狀態(tài)使其在前體tRNA加工中具備了雙重功能。我們的發(fā)現(xiàn)揭示了生物體如何通過靈活排列有限的結(jié)構(gòu)單元（亞基）來實現(xiàn)多功能性，這可能是適應(yīng)緊湊基因組的一種進(jìn)化策略。”
揭示這種通過有限結(jié)構(gòu)單元（亞基）的靈活排列獲得新功能的進(jìn)化策略，可能為未來開發(fā)合成生物學(xué)和生物技術(shù)工具提供新思路。
期刊：Nature Communications
DOI：10.1038/s41467-025-60002-1
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