核糖体RNA扩展片段介导了非活性动物核糖体的寡聚化过程

《SCIENCE》：Ribosomal RNA expansion segments mediate the oligomerization of inactive animal ribosomes

应激状态下动物细胞inactive核糖体通过rRNA扩张段ES31Lb形成二聚体disomes，该机制赋予细胞修复优势及抗长期应激能力，ES31Lb序列的跨物种保守性决定disomes形成潜能。

　　

编辑摘要

核糖体是所有细胞中负责蛋白质合成的分子机器。当细胞受到压力时，会减少新蛋白质的合成以节省能量并启动生存反应。Schwarz等人发现，在压力作用下，不活跃的哺乳动物核糖体会成对聚集，形成所谓的“二聚体”。这种核糖体之间的连接是由所谓的“扩展片段”介导的，这些扩展片段是核糖体RNA分子中的插入序列，目前对其功能了解甚少。比较序列分析表明，扩展片段的功能可能在不同动物物种中普遍存在。因此，一种由核糖体RNA驱动的机制负责动物细胞在应激反应期间的核糖体重组。——Stella M. Hurtley

结构化摘要

引言

核糖体是将mRNA翻译成蛋白质的分子机器，由核糖体RNA（rRNA）和蛋白质组成。从细菌到人类，rRNA具有高度保守性，并驱动蛋白质合成的关键反应。在rRNA高度保守的核心区域附近，复杂生物体的rRNA中存在较大的插入序列，称为扩展片段（ESs）。这些扩展片段的功能仍然大部分未知。

研究背景

尽管核糖体对细胞功能至关重要，但动物细胞如何根据环境变化优化其核糖体群体仍不完全清楚。例如，当细胞暴露于压力源时，它们如何保存核糖体群体以便在压力源消失后迅速恢复？在细菌中，已知不活跃的核糖体会被隔离成所谓的“休眠二聚体”。虽然早在20世纪60年代就观察到了动物细胞中的核糖体相互作用，但动物细胞是否采用类似的机制仍是一个未解之谜。

结果

在这项研究中，我们探讨了核糖体（蛋白质合成机器）在动物细胞应对压力时的反应。我们发现，在啮齿动物脑细胞中，压力会导致核糖体形成二聚体（二聚体）。冷冻电子断层扫描显示，这些由压力诱导的核糖体二聚体确实处于不活跃状态（处于“休眠”状态）并且彼此物理接触。当我们仔细观察核糖体之间的连接点时，发现这种相互作用是由每个rRNA分子中存在的扩展片段介导的，这些扩展片段会与自身发生同源二聚化。我们发现，这种扩展片段的自我二聚化（其中互补核苷酸通过“ kissing loop”结构相互作用）是形成二聚体的必要且充分条件，这为分裂中的细胞提供了生长优势，并增强了其对长期压力的抵抗力。一个物种是否具有这种特定的扩展片段序列（该序列在动物界中存在差异）决定了该物种的细胞是否能够形成由压力诱导的二聚体。重新研究20世纪60年代观察到的鸡核糖体排列（“核糖体片层”）后发现，这些核糖体排列也是由rRNA中的扩展片段介导的。

结论

我们发现了扩展片段的一个先前未知的功能：它们能够在压力作用下使不活跃的核糖体物理耦合。动物细胞利用扩展片段之间的“发夹-亲吻环”相互作用来寡聚化不活跃的核糖体。我们的数据表明，这种存在于从啮齿动物、鸡到灵长类动物（包括人类）中的休眠机制为细胞带来了优势。

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扩展片段驱动核糖体的寡聚化。

在活跃翻译过程中，扩展片段ES31Lb不会参与核糖体的相互作用（A）。在压力作用下，不活跃的核糖体会被招募到由ES31Lb介导的二聚体中。该扩展片段的序列在不同物种中都能预测二聚体的形成（B）；颜色较深的区域表示预测ES31Lb会发挥作用的物种。同样的机制也驱动鸡在寒冷冲击下的四聚体形成（C）。

图：M. Mueller；电子显微镜图像：A. Schwarz

摘要

当细胞受到压力时，会下调蛋白质合成以节省能量并将资源用于修复。我们发现，在某些哺乳动物细胞（包括神经元）中，压力还会导致不活跃的核糖体形成簇（二聚体）。我们使用冷冻电子断层扫描（cryo-ET）技术在原位观察核糖体，并发现这种核糖体二聚化是由核糖体RNA（rRNA）扩展片段ES31Lb的同型相互作用介导的。ES31Lb的相互作用对于二聚体的形成既是必要的也是充分的，它为脑细胞提供了生长优势和抗压能力。据预测，约20%的脊索动物（包括鸡和人类）中的ES31Lb会发生同源二聚化。对鸡四聚体的冷冻电子断层扫描分析显示，ES31Lb与ES9La之间存在相互作用。因此，在动物细胞中，翻译调控可以利用蛋白质合成机制中的这一灵活组成部分——rRNA扩展片段。