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《研究揭示人线粒体丙氨酰-tRNA合成酶识别tRNA独特机制》

  • 来源专题：中国科学院亮点监测
  • 编译者： yanyf@mail.las.ac.cn
  • 发布时间：2019-03-30

  • 2月15日，国际学术期刊《核酸研究》（Nucleic Acids Research）发表了中国科学院生物化学与细胞生物学研究所王恩多研究组最新研究成果“The G3-U70-independent tRNA recognition by human mitochondrial alanyl-tRNA synthetase”。

    　　丙氨酰-tRNA合成酶(AlaRS)催化tRNAAla的氨基酰化水平，生成Ala-tRNAAla。细菌、真菌及真核生物细胞质的tRNAAla主要依赖tRNA氨基酸接受茎单一的碱基对G3-U70作为被AlaRS识别的关键元件；与之对应的，AlaRS具有保守的识别G3-U70的氨基酸模块；小鼠细胞质AlaRS编校反应的微弱降低导致神经退行性疾病。王恩多研究组的前期工作表明，人线粒体AlaRS (hmtAlaRS)的编校反应对于胚胎发育至关重要(Nucleic Acids Res., 2018)。此外，hmtAlaRS基因(AARS2)上的R592W突变导致致死性早发性心脏病；而研究组最近的工作也表明，AARS2 R580W突变也导致致死性早发性心脏病(Hum Mol Genet., 2019)。但对于hmtAlaRS如何识别人线粒体tRNAAla (hmtRNAAla)完全未知。

    　　在研究员王恩多与周小龙的共同指导下，博士研究生曾奇玉等发现，hmtAlaRS/hmtRNAAla具有区别于常规AlaRS/tRNAAla的特征：hmtRNAAla缺乏G3-U70、hmtAlaRS识别G3-U70的模块已发生显著变异，提示hmtAlaRS识别hmtRNAAla进化出独特规律。研究发现，hmtAlaRS是独特的单体形式；区别于线虫(C. elegans)及酵母(S. cerevisiae)线粒体AlaRS，hmtAlaRS通过非依赖G3-U70的独特方式识别hmtRNAAla，与果蝇(D. melanogaster)线粒体AlaRS识别tRNAAla具有明显异同，牵涉氨基酸接受茎更多的碱基对；hmtAlaRS显著地误活化非对应氨基酸Gly，利用高效的非依赖tRNA的转移前编校途径及转移后编校途径可以去除非对应的Gly以保证线粒体翻译的精确性，进一步鉴定了编校过程中tRNA转位的核心氨基酸元件；发现心脏病致病点R592W不影响蛋白质的稳定性及经典活力，暗示其通过非经典功能导致疾病，相关小鼠实验正在进行。

    　　该研究首次系统揭示了人线粒体AlaRS识别氨基酸及tRNA的基本规律，阐明了线粒体AlaRS不依赖于G3-U70的识别机制，为氨基酰-tRNA合成酶与tRNA的共进化理论提供了新的证据。

    　　该研究得到科技部、基金委、中国科学院及上海市科委的项目资助。

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    • 编译者：李康音
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    • 2024年5月22日，上海科技大学iHuman研究所、生命科学与技术学院华甜和刘志杰团队，联合山东大学基础医学院孙金鹏团队及上海交通大学医学院第九人民医院杨驰团队在Nature上发表了题为Bitter taste TAS2R14 activation by intracellular tastants and cholesterol 的最新研究成果，揭示了植物来源苦味物质、上市药物分子及胆固醇对苦味受体TAS2R14的独特调控机制。 联合研究团队利用单颗粒冷冻电镜技术，获得了人源苦味受体TAS2R14分别与植物来源马兜铃酸A (Aristolochic acid, AA) ，药物分子氟芬那酸 (flufenamic acid, FFA) 和 compound 28.1结合，以及与不同G蛋白偶联状态下的高分辨率结构。发现TAS2R14中至少存在三个可被不同配体调控的位点，其中AA，FFA和compound 28.1意外地结合在受体胞内跨膜区的口袋2 （pocket-2）中， AA也可以结合在口袋3（pocket-3）中，而胆固醇分子却反客为主地结合在GPCRs经典的正构配体结合口袋内（pocket-1）。此外，受体的第六个跨膜螺旋TM6的胞内端通过自身结构在无序-有序间的构象变化精妙协调配体识别以及不同G蛋白与受体的结合。这些现象颠覆了人们对GPCR配体识别的传统认知，揭示了苦味受体全新的配体识别和受体激活机制。 通过进一步的细胞水平功能实验和分子动力学模拟，该研究验证了结合在非正构位点的苦味分子仍是激活TAS2R14的主要动力。在口袋2中，AA，FFA和compound 28.1均与受体激活密切相关的氨基酸结构域形成重要的相互作用，而胆固醇能够稳定结合并独立激活受体。此外通过一系列突变及胆固醇敲除等实验，揭示了三个结合口袋在配体识别及受体激活上的分工和协作关系。 该研究克服诸多困难，解析了苦味受体TAS2R14与野生型下游信号转导蛋白Gustducin和Gi1三聚体的复合物三维结构，揭示了不同G蛋白与TAS2R14的结合模式，为进一步研究苦味受体的下游不同信号转导通路所介导的生理功能提供了非常重要的理论基础。除了自身的独特性质，TAS2R14还具有和团队之前报道的苦味受体TAS2R46中一些类似的结构特征，例如在正构口袋中的保守残基W3.32，苦味受体激活相关的保守结构域，以及G蛋白与受体的预结合模式等。 以上研究揭示了诸多苦味受体结构与功能的独特性质，极大拓展了人们对GPCR配体识别以及受体激活的认知，破解了TAS2R14识别结构多样的苦味物质的分子密码以及胆固醇直接调控苦味受体的全新分子机制。这些成果还加深了对苦味受体结构和功能的理解，并为设计靶向TAS2R14的药物候选分子提供了全新的视角。
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  • 《我国科学家揭示线粒体翻译损伤通过激活线粒体UPR延长线虫寿命》
    • 来源专题：战略生物资源
    • 编译者：郭文姣
    • 发布时间：2023-07-11
    • 5月7日，国际学术期刊 Redox Biology 在线发表了中国科学院分子细胞科学卓越创新中心(生物化学与细胞生物学研究所)周小龙研究组与中国科学院生物物理研究所陈畅研究组最新合作研究成果“Mitochondrial translational defect extends lifespan in C. elegans by activating UPR mt ”。 该工作鉴定首例由一个编码基因，通过mRNA翻译重起始产生细胞质与线粒体两种苏氨酰-tRNA合成酶(ThrRS);揭示线粒体翻译缺陷通过激活线粒体未折叠蛋白反应(UPR mt )延长线虫寿命;揭示氨基酰-tRNA合成酶(aaRS)缺陷相关线粒体翻译功能受损激活UPR mt 具有普遍性与物种间的保守性。   真核生物有至少两套蛋白质合成系统，需用至少两套aaRS。通常情况下，两套核基因编码细胞质与线粒体aaRS。由一种基因编码两种aaRS的情况相对较少，且具体机制尚待深入研究。线粒体作为半自主性细胞器，有其自身的基因组(mtDNA)，负责编码少量对于线粒体氧化磷酸化复合物关键的蛋白质亚基，在线粒体发生、结构与功能调控中具有重要作用。由于线粒体在细胞能量供应、代谢调控及命运决定中的核心作用，人类线粒体蛋白质合成紊乱常导致包括神经退行性疾病、心脏病、肌无力、癫痫、耳聋、生殖缺陷等多组织器官受累的疾病表型，统称为线粒体脑肌病。但是线粒体蛋白质合成对于其他真核模式生物的生物学功能了解较少。   本研究中，研究人员首先分析了线虫( C. elegans ) ThrRS的基因与蛋白质形式，发现线虫只有一个潜在的ThrRS基因 tars-1 , 但却注释两种不同长度的ThrRS;通过RT-PCR以及5’-RACE方法证明在线虫体内，只有一种 tars-1 mRNA，可能利用翻译重起始产生两种形式的ThrRS; 利用在哺乳动物细胞中的荧光定位实验，明确长形式ThrRS ( Ce ThrRS-1)与短形式ThrRS ( Ce ThrRS-2)分别定位于线粒体与细胞质中;通过构建两种酵母遗传学突变株，证明体内 tars-1 通过翻译重起始产生 Ce ThrRS-1 以及 Ce ThrRS-2，它们分别在线粒体与细胞质蛋白质合成中发挥作用;以 Ce ThrRS-2为研究对象，系统研究了其介导的细胞质与线粒体tRNA氨基酰化反应的机制，并阐明了其催化的蛋白质合成质量控制机制。为了研究线粒体 tars-1 的生理功能，通过CRISPR–Cas9构建线粒体 tars-1 敲低的线虫品系，发现线粒体 tars-1 敲低线虫出现发育迟缓、运动能力下降、产卵下降、寿命延长的表型，进一步研究发现线粒体功能受损：耗氧率降低、复合物Ⅰ活性下降、线粒体出现还原应激，UPR mt 被激活，而线虫寿命的延长依赖于UPR mt 的激活。进一步敲低线虫及哺乳动物细胞中多种线粒体aaRS，发现都能激活UPR mt ，说明线粒体aaRS缺陷相关线粒体翻译功能受损激活UPR mt 具有普遍性及物种间的保守性。   本研究从基因、转录本、蛋白质形式、生化机制、细胞定位、细胞器功能与动物整体水平，首次系统阐释了由一种ThrRS基因编码两种细胞定位的ThrRS的分子机制、建立并阐明了线虫ThrRS介导的蛋白质合成速度与质量控制机制、揭示了线粒体翻译损伤通过激活线粒体UPR延长线虫寿命。以上研究为更加深入认识线粒体蛋白质合成在真核生物衰老与寿命中的关键作用提供了新的基础。   中国科学院生物物理所博士生郭苗苗、高级工程师乔新华、博士后王圆圆及中国科学院分子细胞科学卓越创新中心博士生李子涵为本文共同第一作者。陈畅研究员与周小龙研究员为本文共同通讯作者。感谢中国科学院分子细胞科学卓越创新中心王恩多研究员给予的大力支持。本课题获得科技部、中国科学院、基金委、上海市科委的资助。   文章链接：https://doi.org/10.1016/j.redox.2023.102722  
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