6月13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)周小龙研究组的最新研究成果“Eukaryotic AlaX provides multiple checkpoints for quality and quantity of aminoacyl-tRNAs in translation”。该项研究鉴定了真核生物蛋白质合成速度与保真性的多重调控因子AlaX。
蛋白质合成的速度与保真性决定了遗传信息的正确传递，对于细胞正常的生命活动具有重要意义。速度或保真性紊乱会导致多种人类疾病，包括神经退行性疾病与先天性心脏病等。氨基酰-tRNA合成酶(aaRS)需要识别正确的氨基酸与tRNA底物，合成正确的氨基酰-tRNA (例如Ser-tRNASer)。由于氨基酸底物结构的高度相似性，aaRS时常误活化体积较小的非对应氨基酸，导致误氨基酰-tRNA的产生(例如Ser-tRNAAla, Ser-tRNAThr等)。约一半的aaRS进化过程中，通过招募编校结构域，催化编校反应(editing)水解误氨基酰-tRNA，以确保蛋白质合成的保真性。由aaRS催化的编校反应称为顺式编校(cis-editing)。例如丙氨酰-tRNA合成酶(AlaRS)和苏氨酰-tRNA合成酶(ThrRS)的编校结构域可以通过顺式编校分别水解Ser-tRNAAla和Ser-tRNAThr。
由aaRS介导的顺式编校不足以保证蛋白质合成的保真性，因此在三界生物中，还普遍存在一类分子量较小，与aaRS的编校结构域同源的蛋白质分子。这类分子不具备氨基酰化活性，其中的某些成员已经被证明可以水解对应aaRS产生的误氨基酰-tRNA，进一步确保了遗传信息的精准传递。这类蛋白质称为反式编校因子，其介导的编校反应称为反式编校(trans-editing)。
真核生物中，由Aarsd1基因编码的蛋白质AlaX，与AlaRS和ThrRS的编校结构域同源。前人的研究揭示了细菌和古菌来源的AlaX主要水解Ser-tRNAAla，只作为AlaRS的反式编校因子发挥作用。但对于真核生物AlaX潜在的编校活力，编校底物与生物学功能知之甚少。
在该研究中，通过纯化和体外重组人AlaX以及酵母AlaX酶活力，发现AlaX是一个具有显著编校活力的反式编校因子；AlaX具有严格的氨基酸特异性，只能水解接载有Ser的tRNA；发现AlaX可以水解误氨基酰化tRNA，包括Ser-tRNAAla与Ser-tRNAThr；AlaX发挥其编校功能不依赖于tRNA的结构和序列，但依赖于关键的C-Ala结构域。通过构建Aarsd1基因敲除的HEK293T细胞系和AlaX基因敲除的酵母细胞株，发现敲除细胞中， mRNA翻译存在大量的Ala>Ser和Thr>Ser的氨基酸误掺；敲除细胞系对不同的压力刺激产生截然不同的响应；细胞功能上的变化可以通过表达具有编校活力的AlaX，AlaRS或ThrRS挽救。尤为意外的是，发现AlaX可以高效水解细胞内由丝氨酰-tRNA合成酶(SerRS)合成的正确的氨基酰化tRNA (Ser-tRNASer)和硒代半胱氨酸生物合成途径中必须的中间产物Ser-tRNASec；敲除Aarsd1基因可以显著影响Ser密码子的解码速度，提示AlaX参与蛋白质合成速度的调控。
本研究系统阐明了真核生物反式编校因子AlaX的编校机制；揭示了AlaX同时作为AlaRS、ThrRS与SerRS共有的反式编校因子，对于蛋白质合成速度与保真性发挥多重调节作用。本研究加深了人们对于真核生物蛋白质合成机理的认识。
分子细胞卓越中心博士研究生李子涵为论文第一作者，分子细胞卓越中心/国科大杭州高等研究院周小龙研究员为论文通讯作者。该研究获得了中国科学院先导B、国家重点研发计划、基金委和上海市科委的经费资助。感谢国家蛋白质科学中心(上海)李沂霖博士和殷跃博士对本研究提供的技术支持。感谢法国斯特拉斯堡大学Gilbert Eriani教授对本工作提出的建议。感谢分子细胞卓越中心分子生物学技术平台、细胞分析技术平台和化学生物学技术平台的支持与帮助。
文章链接: https://doi.org/10.1093/nar/gkae486
AlaX在真核生物蛋白质合成速度与保真性中发挥多重调控作用
