鑽石舞台

新生蛋白質正確的定位到適當的細胞器是細胞功能和內環境穩態所必須的。協同翻譯靶向內質網的過程中其準確定位以依賴於兩個核糖體結合因子複合體。其中一個是信號識別顆粒（Signal recognition particle，SRP），SRP利用其M結構域結合疏水性內質網靶向信號，將核糖體新生鏈複合體輸送到內質網膜上SRP受體處，這一輸送過程依賴於其GTPase 結構域【1-2】。SRP在細胞內的含量遠低於核糖體，因此具有與核糖體較高的親和力。由於該高親和力特徵的存在，SRP必須受到精密的調控，從而能夠選擇性地將具有的內質網靶向信號的核糖體正確帶到目標位置【3-4】。另外一個關鍵的複合體是新生多肽複合體（Nascent polypeptide-associated complex，NAC），該複合體主要由NACα and NACβ組成，主要負責阻止SRP在沒有內質網靶向信號情況下錯誤地招募和結合核糖體【5】。

但是目前關於NAC複合體如何結合核糖體來阻止SRP進入以及這種抑制作用是如何優先克服內質網靶向信號的還不得而知。為此，德國康斯坦茨大學Elke Deuerling研究組、瑞士蘇黎世聯邦理工學院Nenad Ban研究組以及美國加州理工學院Shu-ou Shan研究組在Science合作發文題為Mechanism of signal sequence handover from NAC to SRP on ribosomes during ER-protein targeting，發現新生多肽複合物NAC使用兩個具有相反作用的結構域來調控信號識別顆粒SRP的進入，從而將內質網靶向序列信號的信息傳遞給SRP，確保蛋白質定位的特異性。

為了揭開其中的分子機制，作者們首先在體外重組了NAC和SRP的混合體系，並用冷凍電鏡對形成的複合體進行分析。該混合複合體包括兩種狀態，一個是貨物交接前的複合體，一個貨物交接後核糖體新生鏈複合體RNC與NAC、SRP所形成的三元複合物。作者們發現貨物交接前的複合體中NAC尾部的與核糖體存在相互作用，因此作者們推測這條「小尾巴」子可能會作為核糖體錨定物發揮作用，通過熒光共振能量轉移以及NAC尾部點突變實驗作者們證明這條「小尾巴」的確會幫助核糖體錨定，突變後會大大降低其與核糖體的親和力（圖1）。進一步的，通過秀麗隱杆線蟲中相應的突變實驗，發現NAC結合SRP的競爭減弱，會導致內質網應激，從而導致線蟲胚胎生存活力降低、成蟲壽命縮短。

圖1 貨物交接前NAC與核糖體相互作用結構示意圖

當核糖體中出現內質網靶向信號時，NAC對SRP的拮抗作用必須得到緩解。作者們發現這一過程的實現是因為內質網靶向信號序列導致NAC球形結構域變得不穩定，從而允許SRP進入核糖體出口。

進一步的，在貨物交接之後形成RNC與NAC、SRP的三元複合物。通過對三元複合物結構的揭示，作者們發現NAC的UBA結構域與SRP存在直接相互作用，因此作者們想知道這一相互作用是否在內質網靶向過程中發揮作用。為了檢測這一可能性，作者們構建了幾種突變類型，分別對UBA刪除、NAC中UBA突變、SRP進行突變，檢測這些突變對NAC中UBA結構域與SRP結合的影響，發現這些會降低三元複合體中的結合親和性。而且NAC中UBA結構域介導了SRP向核糖體的初始招募，SRP與NAC的UBA結構域的接觸是SRP成功靶向內質網蛋白的關鍵。

圖2 工作模型

由此，作者們提出了核糖體NAC和SRP相互作用的分子機制（圖2），該機制控制並啟動靶向內質網靶向的共翻譯蛋白：NAC複合體作為守門人，保護新生鏈不受SRP的非生理作用。由於NAC的豐度和對核糖體的高親和力，NAC在翻譯的早期階段通過高親和力錨定但結合能力較弱的球狀結構域與大多數核糖體結合，從而阻止SRP接近新生多肽。內質網靶向序列信號的出現使NAC的球狀結構域變得不穩定，靈活的UBA結構域負責捕獲和招募SRP，並增加其在隧道出口區域的局部濃度，促進了SRP進入新生鏈。雙重保險機制確保了靶向內質網的新生肽鏈能夠正確的定位。

原文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl6459

1. Halic M, Blau M, Becker T, Mielke T, Pool MR, Wild K, Sinning I, Beckmann R. Following the signal sequence from ribosomal tunnel exit to signal recognition particle. Nature. 2006 Nov 23;444(7118):507-11. doi: 10.1038/nature05326. Epub 2006 Oct 29. PMID: 17086193.

2. Gilmore R, Blobel G, Walter P. Protein translocation across the endoplasmic reticulum. I. Detection in the microsomal membrane of a receptor for the signal recognition particle. J Cell Biol.1982;95(2 Pt 1):463-469. doi:10.1083/jcb.95.2.463

3. Costa EA, Subramanian K, Nunnari J, Weissman JS. Defining the physiological role of SRP in protein-targeting efficiency and specificity. Science. 2018;359(6376):689-692. doi:10.1126/science.aar3607

4. Gamerdinger M, Hanebuth MA, Frickey T, Deuerling E. The principle of antagonism ensures protein targeting specificity at the endoplasmic reticulum. Science. 2015;348(6231):201-207. doi:10.1126/science.aaa5335

5. Wiedmann B, Sakai H, Davis TA, Wiedmann M. A protein complex required for signal-sequence-specific sorting and translocation. Nature. 1994;370(6489):434-440. doi:10.1038/370434a0