9月30日，国际学术期刊PNAS在线发表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）刘珈泉研究组和陈玲玲研究组的最新合作研究成果，题为"Tandem RNA-binding domain architecture drives PKR activation through an intramolecular interface"。该研究整合单分子荧光成像、AlphaFold结构预测以及生物化学与细胞生物学功能验证，系统揭示了蛋白激酶R（PKR）的两个双链RNA结合结构域（dsRBD）通过分子内互作形成一种独特的构象，该架构赋予PKR底物区分能力、促进激酶二聚化，并增强其在其他RNA结合蛋白存在下竞争识别双链RNA（dsRNA）的能力，从而共同驱动PKR的激活。这一发现为理解串联RBD的功能优势、以及针对PKR异常激活的干预策略提供了新的理论依据。
RNA结合结构域（RNA-binding domain, RBD）的串联重复排列——常由内在无序序列连接——在RNA结合蛋白（RBP）中广泛存在。然而，这类柔性排布能否形成对功能至关重要的确定构象、又如何借此实现其生物学功能，目前仍缺乏系统认识。
PKR是天然免疫通路中关键的dsRNA感受器。在识别病毒来源的dsRNA后，PKR发生激酶二聚化与自磷酸化，进而磷酸化下游底物eIF2α、引发翻译终止，最终抑制病毒的复制与传播。为确保抗病毒反应的特异性，PKR的磷酸化水平必须与其RNA结合活性精密偶联。然而，PKR的两个dsRBD如何协同识别RNA，以及这种串联排列架构在PKR激活调控中的功能优势，此前尚不清楚。
为解析PKR的工作机制，研究团队利用单分子荧光成像技术实时追踪了PKR在dsRNA上的动态行为。他们发现，PKR采取一种“扫描-捕获”的模式识别底物：PKR首先沿dsRNA进行扫描；随后，dsRBD2通过与dsRBD1发生分子内互作，将处于扫描状态的PKR锚定在dsRNA上，使其由动态、瞬时的“采样识别”转变为“稳定结合”。这一结合模式的转换显著促进了PKR激酶结构域的二聚化，从而驱动强效的激酶激活。值得注意的是，这种dsRBD协同互作在大多数自身RNA上无法发生，却能高效发生于免疫原性dsRNA上；同时，它还增强了PKR与其他RNA结合蛋白竞争免疫原性RNA的能力，使PKR得以在大量自身RNA存在的情况下特异识别免疫原性dsRNA。破坏dsRBD1-dsRBD2互作界面会在体外和细胞水平上严重削弱PKR的功能。这些结果表明，串联dsRBD的功能优势并非简单源于结合位点的增加，而是依赖于互作界面所介导的结合模式转换。
该研究揭示了RNA结合蛋白中串联RBD的一种全新工作模式，拓展了对RBP多结构域协同调控机制的认识。此外，破坏dsRBD1-dsRBD2互作界面可显著抑制PKR激活，提示该界面有望成为干预PKR异常激活的潜在药物靶点，为PKR相关疾病的治疗开发奠定了重要基础。
分子细胞卓越中心博士韩冲、博士生李晨和博士徐奕峰为论文共同第一作者。该工作得到分子细胞卓越中心张少庆研究员的大力支持，获得中国科学院战略性先导科技专项、国家重点研发计划、核糖核酸功能与应用重点实验室、国家自然科学基金以及“尚思探索学者”项目的资助；同时获得分子细胞卓越中心分子生物学技术平台、细胞分析技术平台的大力支持 。
串联dsRBD调控PKR激活的工作模型
文章链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2605220123
