鑽石舞台

原文題目：Ribosome collisions induce mRNA cleavage and ribosome rescue in bacteria

通訊作者：Allen R. Buskirk

第一單位：美國巴爾的摩約翰霍普金斯大學醫學院分子生物學和遺傳學系

DOI：10.1038/s41586-022-04416-7

大腸桿菌中每 250 種蛋白質中約有 1 種的合成以失敗告終。問題出現在許多方面。由於過早的轉錄終止或 mRNA 衰減，核糖體在缺乏終止密碼子的轉錄本的 3' 端停滯。核糖體還停留在化學損壞的信息，緩慢解碼的密碼子和抑制自身翻譯的新生肽. 長時間的停滯將核糖體捕獲在非活性複合物中，並產生可能有毒的不完整蛋白質。核糖體救援途徑選擇性地識別停滯的核糖體，救援核糖體亞基，並針對有問題的 mRNA 和新生蛋白質進行降解。

以下列方式識別停滯的核糖體。轉移信使 RNA (tmRNA) 是細菌中的主要拯救因子，它進入核糖體並編碼一個短肽標籤，以靶向新生肽進行蛋白水解。因為它在 mRNA 通道中結合，所以tmRNA的活性被停滯位點下游的mRNA抑制。在完整信息的翻譯停滯的情況下，當前的模型是 mRNA 切割產生截斷的 mRNA，它們是 tmRNA 的良好底物。然而，觸發 mRNA 切割的信號和相應的核酸酶仍然難以捉摸。

圖 1：SmrB 是一種核糖體拯救因子。

圖 2：停滯核糖體 5' 邊界處的 SmrB 切割促進核糖體拯救。

最近的工作為真核細胞如何識別停滯的核糖體提供了見解。當上游核糖體與停滯的核糖體碰撞時， Hel2被招募到兩個核糖體小亞基之間形成的界面，並將泛素添加到特定的核糖體蛋白。通過 Hel2 的活性，核糖體碰撞觸發亞基分裂、mRNA 衰變和新生多肽的降解。然而，在沒有泛素和 Hel2 同源物的情況下，尚不清楚碰撞是否在細菌中具有類似的作用。在這裡，我們報告了大腸桿菌中的核糖體碰撞招募 SmrB，觸發 mRNA 切割和核糖體拯救。大腸桿菌SmrB 蛋白包含來自小 MutS 相關 (SMR) 超家族的結構域，該超家族具有內切核酶 RNase活性。我們之前報道過一種 SMR 蛋白，Cue2，在酵母中切割停滯的核糖體上的 mRNA 。SMR 結構域在細菌中廣泛保守，但在 Planctomycetes-Verrucomicrobia-Chlamydiae (PVC) 超門和放線菌中的代表性明顯不足。它們在我們採樣的所有真核生物譜系中都發現了，但在古細菌中相對不常見。此外，我們展示了低溫電子顯微鏡 (cryo-EM) 結構，顯示了大腸桿菌和枯草芽孢桿菌中碰撞核糖體的結構以及複合結合位點，為核糖體碰撞如何激活 SmrB 提供了解釋。

圖 3：SmrB 作用於碰撞的核糖體。

圖 5：結合 SmrB 的大腸桿菌二體的冷凍電鏡結構。

在這裡，我們展示了 SmrB 識別核糖體碰撞、切割 mRNA 並觸發核糖體拯救。我們的工作揭示了細菌和真核生物中核糖體拯救之間的兩個顯着相似之處。首先，核糖體碰撞表明停滯的核糖體需要救援。碰撞在大腸桿菌中的作用與先前關於核糖體停滯對蛋白質輸出的影響的數學模型以及先前關於碰撞影響移碼的報告一致。大腸桿菌和枯草芽孢桿菌之間二體界面的保護表明碰撞通過為救援因子的識別提供獨特的界面而在細菌中具有保守的作用。其次，SMR 結構域蛋白在酵母和大腸桿菌的碰撞核糖體中切割 mRNA ，並在除少數細菌門外的所有細菌門中發現，這表明它們可能在核糖體拯救中具有廣泛的作用。這些共同特徵證實了核糖體碰撞和核內裂解在核糖體拯救中的普遍重要性。

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-022-04416-7 Rec

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