在一项新的研究中，来自美国圣犹达儿童研究医院的研究人员揭示人类核糖体解码信使RNA（mRNA）的速度比细菌核糖体慢10倍，但解码更准确。他们组合使用了领域领先的结构生物学方法来更好地了解核糖体的工作原理。他们精确地指出了人类中该过程变慢的地方，这将是开发新的癌症和感染治疗方法的有用信息。相关研究结果于2023年4月5日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“mRNA decoding in human is kinetically and structurally distinct from bacteria”。
核糖体是细胞内的分子机器，负责通过对mRNA进行解码来合成蛋白。通过对细菌和人类核糖体进行机理研究，人们可以了解它们的相似性和差异性，以开发药物和了解疾病。
许多抗生素，即我们用来治疗细菌感染的药物，是通过靶向细菌核糖体来发挥作用的。在人类中，核糖体如何准确解码mRNA的变化与衰老和疾病有关，代表了一种潜在的治疗干预点。这使得这项新的研究对感染和癌症的治疗产生了影响。
论文通讯作者、圣犹达儿童研究医院结构生物学系的Scott Blanchard博士说，“几十年来，细菌一直被研究得很好，但我们所做的那种研究，细致的机制研究，在人类核糖体上一直是缺失的。我们对人类核糖体非常感兴趣，因为它们是寻找癌症和病毒（SARS-CoV-2）感染新疗法所需要的靶标。”
解析革命
核糖体使用一种叫做氨基酰-tRNA（tRNA）的分子作为底物对mRNA进行解码。解码过程涉及几个不同的步骤。
这些作者部署了单分子荧光共振能量转移（smFRET）和低温电镜（cryo-EM）等方法来研究人类核糖体解码机制。这种单分子成像为他们提供了关于事情发生速度的信息。在这种情况下，他们就可知道人类核糖体在这种解码过程中经历不同步骤的速度有多快。
冷冻电镜为他们提供结构信息，可以让他们了解人类核糖体的外形或它在每个步骤中的构象（形状）是怎样的。通过结合这两种方法，他们获得了关于与细菌相比，这些过程在人类中发生的速度有多快的信息，以及关于他们观察到的任何差异的内在结构原因。
论文共同第一作者、圣犹达儿童研究医院结构生物学系的Mikael Holm博士说，“我们想知道人类核糖体读取遗传密码的速度有多快，它找到与mRNA互补的tRNA的速度有多快。我们发现，人类核糖体的这一过程比细菌中的要慢10倍左右。不过，这种缓慢增加了准确性，因为已知人类核糖体在翻译遗传密码时比细菌核糖体更准确。”
具体来说，这些作者发现虽然人类和细菌都对mRNA进行解码，但在这种解码过程中氨基酰-tRNA移动的反应途径在人类核糖体上是不同的，而且明显更慢。这些差异来自于人类核糖体和人类延伸因子eEF1A中的结构元件，它们共同负责为每个mRNA密码子忠实地整入正确的tRNA。核糖体和eEF1A中构象变化的不同性质和时间可能解释了人类核糖体如何实现更大的解码准确性。
论文共同第一作者、圣犹达儿童研究医院结构生物学系的Kundhavai Natchiar博士说，“通过我们的低温电镜结构研究，我们能够将人类核糖体结构解析为原子分辨率，这揭示了前所未有的特征，如人类核糖体中存在的rRNA和蛋白修饰、离子和溶剂分子。这些特征精细地描述了药物分子与人类核糖体相互作用的分子基础，这对于基于人类核糖体的药物设计和发现是不可或缺的。”
在作用时被捕获
这些作者还准确地指出了人类核糖体中这种解码过程的哪一步放缓了。在核糖体选择正确的tRNA的过程中，有两个步骤：初始选择和校对选择。第二步，即校对选择，是核糖体第二次检查它是否选择了正确的分子。这一步在人类中比在细菌中慢了10倍。
结构域封闭和初始三元复合物结合。图片来自Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-05908-w。
想一想体操运动员，当他们完成他们的动作时，在垫子上把自己扭曲成不同的形状。这类似于核糖体如何过渡到不同构象以达到不同的结果。这项新的研究表明人类核糖体所经历的很多构象在细菌核糖体中是不存在的，因此可能与校对选择过程的减慢有关。
这些作者还发现几种药物靶向的是校对选择过程，而不是初始选择。因此，这些药物没有靶向人类和细菌之间相似的步骤，而是专注于最不同、最慢的步骤。
论文共同第一作者、圣犹达儿童研究医院结构生物学系的Emily Rundlet博士说，“在结构生物学中，一种大分子机器的单一快照并不总是足以解释它的功能。通常情况下，回答你的生物学问题所需要的快照并不是这种分子的最稳定形式，相反地，是它的短命的难以捕捉的形式。将smFRET和低温电镜一起使用，为结构生物学带来了时间的维度，这使我们能够直观地看到人类解码的重要瞬时中间步骤，并在一种新的水平上理解不同的机制。”
参考资料：
Mikael Holm et al.mRNA decoding in human is kinetically and structurally distinct from bacteria. Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-05908-w.
