清华学者在《自然》发文揭示新的non-stop mRNA翻译终止机制

2016年12月1日，高宁研究小组和清华大学生命科学学院结构生物学高级创新中心的合作者在《自然》在线发表了一篇题为“ARFA和RF2对替代翻译终止的机械见解”的研究论文。本文报道了大肠杆菌核糖体上不停mRNA翻译终止态复合体的高分辨率冷冻电镜结构，揭示了ArfA在不停mRNA翻译终止过程中的作用机制。

核糖体上的蛋白质翻译是一个非常复杂的过程，包括密切调控翻译起始、延伸和终止的步骤。在细菌中，当蛋白质翻译进行到信使核糖核酸上的终止密码子时，翻译终止因子RF1或RF2可以直接识别终止密码子，结合到核糖体上的活性中心，并催化与肽基tRNA 3’端共价偶联的新生肽链的释放。这一过程由RF1/RF2上保守的催化活性基序Gly-Gly-Gln(GGQ)序列调节。在细胞中，由于转录的提前终止、信使核糖核酸的错误加工、药物或物理损伤等。没有终止密码子的mRNA会在细胞中产生，这被称为不停的mRNA。当核糖体移动到非终止基因的3’端时，由于终止密码子缺乏对RF1/RF2的激活，核糖体将停滞在基因的3’端，不能进行正常的翻译终止。细胞中过多的停滞核糖体的积累会导致毒性。真核生物和原核生物已经进化出相应的质量控制系统来回收这些核糖体。在细菌中，对不停的mRNA的拯救系统依赖于一种小蛋白arfa(替代核糖体拯救因子a)。少量可用的遗传和生物化学数据表明，当核糖体停滞在非终止的信使核糖核酸的3’端时，ArfA结合到核糖体上的解码活性中心以补充和激活RF2的肽基水解活性，从而释放新生肽链。然而，还不清楚ArfA如何激活RF2的水解功能。ArfA如何区分由不同长度的信使核糖核酸结合的核糖体？

高宁研究组在体外组装了ArfA/RF2复合体、不停位基因、tRNA和70S核糖体，获得了复合体的高分辨率冷冻电镜结构(分辨率3埃，核心区接近2.6埃)。该结构显示ARFA末端的环与核糖体30S亚单位上的信使核糖核酸进入通道结合，并部分占据终止密码子的结合位点，而N末端直接与30S解码中心和RF2相互作用。进一步的分析表明，ArfA起着两个重要的作用:其N端作为一个mRNA长度的传感器。如果核糖体没有移动到信使核糖核酸的3’末端，进入信使核糖核酸通道的核苷酸将会阻碍ArfA的结合；碳末端直接与RF2结合，在功能上补偿终止密码子对RF2的激活效应。

这项研究揭示了自然界中一个奇妙的功能模拟机制:通过结构模拟，具有很大结构灵活性的小蛋白质可以取代信使核糖核酸上三碱基终止密码子的功能。值得一提的是，在这项工作发表的同一天，《自然与科学》发表了来自德国(慕尼黑大学威尔逊实验室)和英国(2009年诺贝尔化学奖，罗摩克里希纳实验室)科学家的类似工作。

图:核糖体上的ArfA结合位点

高宁研究小组的博士生马·程英和弘前大学的景岛乐·栗田是该论文的合著者。高宁教授和瓢太·希梅诺教授是该通讯的共同作者。高宁研究组成员李宁宁和陈艳也参加了本课题的研究。国家蛋白质科学基金(北京)清华大学冷冻电子显微镜平台支持冷冻电子显微镜数据收集，国家蛋白质科学基金(北京)清华大学高性能计算平台支持数据处理。一些计算处理也得到北京大学生命联盟中心高性能计算平台的支持。这项工作得到了清华大学结构生物学高级创新中心、教育部蛋白质科学重点实验室、科技部重大科研项目和国家自然科学基金的资助。