周小龙、王恩多研究组合作揭示人线粒体tRNA t⁶A修饰的分子机制

       2月12日，国际学术期刊Nucleic Acids Research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、王恩多研究组的最新研究成果“Molecular basis for t⁶A modification in human mitochondria”。该研究揭示了人线粒体tRNA反密码子环第37位腺嘌呤N⁶-苏氨酰基甲腺苷酸(N⁶-Threonylcarbamoyladenosine, t⁶A)修饰的分子机制。

 

        t⁶A修饰是广泛存在于三界生物中，负责解码ANN (N = A, T, G, C)密码子的tRNA 第37位腺嘌呤上的一种化学修饰，调控mRNA翻译的速度与精确性。负责t⁶A修饰的基因在三界生物中已被鉴定，但对其分子机制及生物学功能的认识有限，且绝大多数来自于研究原核生物t⁶A修饰机器，对于高等哺乳动物tRNA t⁶A修饰缺乏认识。人YrdC/OSGEPL1催化线粒体tRNA的t⁶A修饰，而YrdC/KEOPS负责细胞质tRNA的t⁶A修饰。核基因组6个基因负责人tRNA的t⁶A修饰，每一个基因发生的突变会使t⁶A修饰缺陷，均导致Galloway-Mowat 综合症。三界生物中，催化t⁶A修饰的酶如何识别和选择特定的tRNA、催化过程中关键的氨基酸残基、t⁶A修饰潜在的调节机制等均不清楚。

 

       本项研究中，研究人员揭示了人线粒体tRNA的t⁶A修饰酶OSGEPL1的特点、OSGEPL1识别tRNA的分子机制以及OSGEPL1乙酰化调控t⁶A修饰活力的机制。原核生物、酿酒酵母细胞质及线粒体中，负责tRNA的t⁶A修饰的TsaD/Kae1/Qri7蛋白质家族均以多元复合物或二聚体形式存在，而人线粒体OSGEPL1是目前发现的唯一以单体发挥催化功能的修饰酶。在人线粒体22种tRNA中，已经鉴定到5种tRNA [hmtRNA^Asn, hmtRNA^Ile, hmtRNA^Lys, hmtRNA^Ser(AGY)以及hmtRNA^Thr]上带有t⁶A修饰，他们发现在体外hmtRNA^Thr (苏氨酸tRNA)是t⁶A修饰的最好底物；通过hmtRNA^Thr反密码子环构建一系列突变，发现OSGEPL1是唯一利用tRNA分子上的C34作为负识别元件的t⁶A修饰酶，其识别tRNA的核酸基序为(C/A>U>G)³²-N³³-(U/G>A)³⁴-N³⁵-U³⁶A³⁷A³⁸ (N为任意碱基)；有趣的是在细菌、酵母细胞质及线粒体中tRNA的C34并不是负识别原件。他们还发现，OSGEPL1 上带有Lys203和Lys299两个乙酰化位点，Lys203是结合tRNA的关键残基，其乙酰化导致酶结合tRNA的能力变弱，从而降低OSGEPL1的t⁶A修饰活力及水平；而Lys299乙酰化则通过调节酶的局部构象，使该酶的t⁶A修饰活力及水平显著上升。

 

       本研究首次揭示了人线粒体tRNA的t⁶A 修饰酶OSGEPL1的特性、识别tRNA的分子机制及其乙酰化调控tRNA的t⁶A修饰的机制，为认识其它非线粒体tRNA的t⁶A修饰的分子基础、揭示修饰酶及tRNA突变相关人类疾病的发生机制提供了理论基础。

 

        博士研究生周敬波为本文第一作者，周小龙研究员与王恩多研究员为本文共同通讯作者。本研究得到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)周金秋研究员、复旦大学闫孟红博士以及国家蛋白质中心(上海)的大力支持。本研究得到国家重点研发计划、基金委以及中科院的经费资助。

 

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