高等真核生物中，有一類長度約為19-30個(gè)堿基的小RNA，在調(diào)控基因表達(dá)、抗病毒以及維持基因組穩(wěn)定性等一系列重要生理過程中起關(guān)鍵作用。Dicer核酸內(nèi)切酶是小RNA生物合成的核心分子，Dicer在小RNA的產(chǎn)生過程中，起到“分子尺”的功能，從前體RNA的一端測量特定的長度并切割產(chǎn)生特定的小RNA。過去二十多年，研究者們針對Dicer核酸酶開展了大量的系統(tǒng)研究，然而這個(gè)過程中Dicer作為一個(gè)整體是如何測量RNA的長度、如何特異性識別RNA的末端等核心問題仍沒有得到完整的分子機(jī)制解析。
近日，深圳大學(xué)醫(yī)學(xué)部李思思副教授課題組和南方科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院杜嘉木教授課題組以及美國加州大學(xué)洛杉磯分校Steven Jacobsen教授課題組共同合作，對Dicer開展了深入的結(jié)構(gòu)功能研究，以“Mechanism of siRNA production by a plant Dicer-RNA complex in dicing competent conformation”為題在國際頂尖學(xué)術(shù)雜志Science上發(fā)表了最新的學(xué)術(shù)進(jìn)展，闡釋了Dicer家族酶的分子作用機(jī)制。深圳大學(xué)為第四完成單位，南方科技大學(xué)、加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校、清華大學(xué)為合作單位。
利用南方科技大學(xué)的冷凍電鏡平臺，研究人員解析了一個(gè)植物來源的Dicer蛋白DCL3與其前體小RNA的復(fù)合物結(jié)構(gòu)（圖1），該結(jié)構(gòu)分辨率高達(dá)3.1埃，可以直接觀測到此前所一直沒有觀測到的末端識別和定點(diǎn)切割機(jī)制。在RNA的末端，DCL3利用一個(gè)正電富集的結(jié)合口袋特異性識別前體小RNA前導(dǎo)鏈的5‘磷酸，從而將RNA的第一個(gè)堿基對打開，更進(jìn)一步對前導(dǎo)鏈的第一個(gè)堿基A產(chǎn)生特異性識別；與此同時(shí)，DCL3利用一簇芳香族氨基酸對前體小RNA的互補(bǔ)鏈的1 nt 3’-overhang末端進(jìn)行識別，防止3‘末端的延伸。以這些相互作用為起點(diǎn)，在另一側(cè)，DCL3的兩個(gè)RNaseIII結(jié)構(gòu)域?qū)η绑w小RNA的兩條鏈分別進(jìn)行切割。DCL3利用自身RNA末端結(jié)合口袋至RNaseIII結(jié)構(gòu)域之間的距離來測量前體小RNA，達(dá)到特定的長度后進(jìn)行切割。
生化上，Dicer家族酶同時(shí)具備5’磷酸依賴的測量和3‘-overhang依賴的測量兩類機(jī)制。研究人員繼續(xù)對DCL3針對不同長度的3’-overhang的前體小RNA的酶活進(jìn)行了測定，發(fā)現(xiàn)隨著overhang長度的延伸，活性只是降低但并沒有完全喪失。為解析其識別機(jī)制，研究人員繼續(xù)解析了DCL3和更長的2 nt 3‘-overhang前體小RNA的復(fù)合物結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)更長的overhang可以通過loop-out機(jī)制反轉(zhuǎn)出RNA，在末端又折疊回來形成類似的識別。解釋了其具備活性又有所降低的機(jī)制。后續(xù)的體內(nèi)、體外突變體實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)的觀測。
圖1 擬南芥DCL3結(jié)合RNA底物的復(fù)合物結(jié)構(gòu)
項(xiàng)目支持：
廣東省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目，2016ZT06S172，系統(tǒng)表觀遺傳學(xué)在農(nóng)作物改良中的應(yīng)用，2017/06/01-2022/05/31，在研，第一核心成員
論文鏈接：https://doi.org/10.1126/science.abl4546
