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Jun 22, 2023

인간의 mRNA 해독은 역학적으로나 구조적으로 박테리아와 다릅니다.

자연 617권, 페이지

Nature 617권, 200~207페이지(2023)이 기사 인용

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측정항목 세부정보

모든 종에서 리보솜은 아미노아실-tRNA 기질을 사용하여 메신저 RNA(mRNA) 뉴클레오티드 서열을 충실하게 해독하여 단백질을 합성합니다. 해독 메커니즘에 대한 현재 지식은 주로 박테리아 시스템에 대한 연구에서 비롯됩니다. 주요 특징은 진화 전반에 걸쳐 보존되지만2, 진핵생물은 박테리아3보다 더 높은 충실도의 mRNA 디코딩을 달성합니다. 인간의 경우 해독 충실도의 변화는 노화 및 질병과 관련이 있으며 바이러스 및 암 치료 모두에서 치료 개입의 잠재적인 지점을 나타냅니다. 여기에서 우리는 단일 분자 이미징과 극저온 전자 현미경 방법을 결합하여 인간 리보솜 충실도의 분자 기반을 조사하여 디코딩 메커니즘이 박테리아의 메커니즘과 동역학적으로나 구조적으로 구별된다는 것을 밝힙니다. 해독은 두 종 모두 전체적으로 유사하지만 아미노아실-tRNA 이동의 반응 좌표는 인간 리보솜에서 변경되고 그 과정은 훨씬 더 느려집니다. 이러한 구별은 각 mRNA 코돈에서 충실한 tRNA 통합을 함께 조정하는 인간 리보솜 및 신장 인자 진핵 신장 인자 1A(eEF1A)의 진핵생물 특이적 구조 요소에서 발생합니다. 리보솜과 eEF1A 내 구조 변화의 뚜렷한 특성과 시기는 진핵 생물 종에서 디코딩 충실도가 어떻게 증가하고 잠재적으로 조절되는지 합리화합니다.

mRNA를 단백질 서열로 번역하는 유전암호는 2개의 하위단위 리보솜(수 메가달톤 RNA-단백질 집합체)에 의해 확립됩니다. 큰(LSU) 및 작은(SSU) 리보솜 하위 단위의 핵심 영역은 종 전반에 걸쳐 진화적으로 보존됩니다2. 이러한 보존은 구조적으로 유사하지만 서열이 다양한 아미노아실-tRNA(aa-tRNA) 어댑터 분자와 신속하고 정확하게 상호작용하는 리보솜에 대한 보편적인 수요를 반영합니다1. 인간의 경우, 새로운 치료법은 단일 유전자 질환4, 바이러스 감염5 및 암6을 치료하기 위해 mRNA 해독 과정을 표적으로 삼고 있습니다. 종에 따른 구조적 및 규제적 차이도 항생제 효능을 뒷받침합니다7.

주로 박테리아1,8,9,10,11에서 수행된 광범위한 생화학적, 동역학 및 구조적 조사를 통해 디코딩은 2단계 동역학적 교정 메커니즘에 달려 있다는 사실이 밝혀졌습니다. 박테리아에서 해독은 GTP와 보존된 3도메인 GTPase(EF-Tu)가 있는 3원 복합체의 aa-tRNA가 아미노아실 부위(A 부위) 내의 mRNA 코돈을 샘플링하는 초기 선택으로 시작됩니다. ) 리보솜의 앞쪽(3' mRNA) 가장자리에 있습니다. mRNA 코돈과 aa-tRNA 안티코돈 줄기 루프(ASL) 사이의 염기쌍은 해독 센터로 알려진 SSU A 부위 내에서 리보솜 RNA(rRNA)와 단백질 상호 작용의 네트워크를 통해 확인됩니다. 동족 aa-tRNA의 인식은 SSU 몸체 및 머리 도메인을 향해 SSU 어깨 도메인을 닫습니다. 촉매성 사르신-리신 루프12(SRL)를 포함한 LSU GTPase 활성화 센터(GAC)의 결과적인 삼원 복합 결합은 GTP 가수분해를 유발하는 스위치-I 및 스위치-II 리모델링을 포함하여 GTPase의 재배열을 유도합니다8,12,13 ,14.

GTP 가수분해는 두 번째 교정 선택을 시작하며, 그 동안 GTPase 리모델링을 통해 aa-tRNA의 아미노산 결합 3'-CCA 말단을 LSU 펩티딜 트랜스퍼라제 센터(PTC)에 수용할 수 있습니다. 그곳에서 펩티드 결합 형성은 초기 펩티드 사슬을 펩티딜-tRNA 결합 부위(P 부위) 내의 tRNA에서 aa-tRNA로 전달합니다. 펩티드 결합 형성은 해독을 종료하고 PRE(전위) 복합체를 생성합니다. 디코딩 충실도는 GTP 가수분해 전 초기 선택과 펩타이드 결합 형성 전 교정 선택 중에 잘못된 aa-tRNA를 우선적으로 거부함으로써 확립됩니다.

세포 추출물로부터 분리된 포유류 리보솜의 구조적 스냅샷과 최근 단층 촬영 연구는 포유류 번역의 기계적 구별에 대한 혁신적인 통찰력을 제공했습니다. EF-Tu, eEF1A 및 리보솜의 진핵 동족체는 모두 대규모 형태 변화를 겪지만, 포유류 리보솜은 박테리아에서는 관찰이 부족한 하위 단위 '롤링' 과정을 겪습니다. 인간에서 이러한 구조적 사건의 역할과 시기, 그리고 진핵생물 특유의 해독 기능이 충실도에 어떻게 기여하는지 현재로서는 불분명합니다.