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Nature:清华大学高宁研究组等报道酵母核糖体组装前体的高分辨冷冻电镜结构

摘要 : 2016年5月25日,国际学术权威刊物自然出版集团《Nature》期刊在线发表了清华大学生命科学学院高宁研究组与美国卡内基梅隆大学John L. Woolford Jr教授研究组合作的研究论文。

 2016年5月25日,国际学术权威刊物自然出版集团《Nature》期刊在线发表了清华大学生命科学学院高宁研究组与美国卡内基梅隆大学John L. Woolford Jr教授研究组合作的题为《细胞核内的核糖体组装前体结构揭示了装配熟因子的功能多样性》(Diverse roles of assembly factors revealed by structures of late nuclear pre-60S particles)的研究论文。论文报道了位于酵母细胞核内的一系列组成上和结构上不同的核糖体60S亚基前体复合物的冷冻电镜结构,确定了近20种装配因子在核糖体上的结合位置及其原子结构。清华大学2013级博士生吴姗为论文第一作者,高宁研究员和John L. Woolford Jr教授为论文共同通讯作者。

真核核糖体的成熟是一个高度复杂的过程,包括核糖体蛋白装配以及rRNA的剪切加工,需要76 snoRNAs和超过200种装配因子的调控。然而绝大多数真核装配因子的结构以及其行使功能的分子机理完全未知。这些数目众多的装配因子在组装过程的不同时间点发挥作用,介导了核糖体组装的全过程,包括核仁,核质、跨核孔复合物的运输,以及胞质的装配过程。真核细胞的核糖体的组装调控与细胞的生长调控通路密切相关,某些装配因子的突变会导致核糖体生物生成的失调,引起一系列的人类遗传性疾病(称为ribosomopathies)。此外,特定组装因子(例如eIF6)过表达在多种人类癌症细胞中被发现。

本论文纯化了酵母细胞内源的核糖体组装中间体,并运用冷冻电镜三维重构方法,得到一系列不同状态的三维结构。其中一种状态的三维结构分辨率达到3.08 埃,其核心部分的分辨率可达2.8 埃,是核糖体组装国际领域迄今为止分辨率最高的结构。基于这一冷冻电镜结构,本文作者获得了19种组装因子(全长或者片段)的原子模型。更为重要的是,结构信息阐释了两个重要的调控GTP酶Nog2和Nog1的生理功能及其可能的分子机制。它们作为中心枢纽蛋白与多种不同的装配因子以及有功能活性的核糖体RNA片段相互作用,在复合物的结构重塑以及跨核膜输出过程中发挥重要的作用。

本论文所含有的丰富的结构信息为详细分析真核核糖体装配过程中的多种装配因子的功能和分子机制提供了基础。

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图1酵母核糖体大亚基组装中间体的3.08埃冷冻电镜结构。a,3.08 Å冷冻电镜密度图,核糖体蛋白颜色为米色,核糖体RNA颜色为灰色。b,19个装配因子的原子模型。

原文链接:

Diverse roles of assembly factors revealed by structures of late nuclear pre-60S ribosomes

原文摘要:

Ribosome biogenesis is a highly complex process in eukaryotes, involving temporally and spatially regulated ribosomal protein (r-protein) binding and ribosomal RNA remodelling events in the nucleolus, nucleoplasm and cytoplasm. Hundreds of assembly factors, organized into sequential functional groups, facilitate and guide the maturation process into productive assembly branches in and across different cellular compartments. However, the precise mechanisms by which these assembly factors function are largely unknown. Here we use cryo-electron microscopy to characterize the structures of yeast nucleoplasmic pre-60S particles affinity-purified using the epitope-tagged assembly factor Nog2. Our data pinpoint the locations and determine the structures of over 20 assembly factors, which are enriched in two areas: an arc region extending from the central protuberance to the polypeptide tunnel exit, and the domain including the internal transcribed spacer 2 (ITS2) that separates 5.8S and 25S ribosomal RNAs. In particular, two regulatory GTPases, Nog2 and Nog1, act as hub proteins to interact with multiple, distant assembly factors and functional ribosomal RNA elements, manifesting their critical roles in structural remodelling checkpoints and nuclear export. Moreover, our snapshots of compositionally and structurally different pre-60S intermediates provide essential mechanistic details for three major remodelling events before nuclear export: rotation of the 5S ribonucleoprotein, construction of the active centre and ITS2 removal. The rich structural information in our structures provides a framework to dissect molecular roles of diverse assembly factors in eukaryotic ribosome assembly.

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