植物線粒體核糖體翻譯狀態(tài)與組裝機(jī)制的結(jié)構(gòu)解析揭示其獨(dú)特進(jìn)化路徑

《Nature Communications》：Structural insights into cauliflower mitoribosome in translation state and in association with a late assembly factor

【字體： 大 中 小 】 時間：2025年12月03日 來源：Nature Communications 15.7

　　

在真核生物的能量工廠——線粒體中，存在著一類特殊的蛋白質(zhì)合成機(jī)器——線粒體核糖體（mitoribosome）。與細(xì)菌核糖體相比，這些細(xì)胞器內(nèi)的核糖體在進(jìn)化過程中展現(xiàn)出了驚人的多樣性，特別是在植物中，它們演化出了獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征，包括由植物特異性蛋白質(zhì)穩(wěn)定的額外rRNA結(jié)構(gòu)域。然而，植物mitoribosome在翻譯狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)特異性長期以來仍是未解之謎。

近期發(fā)表在《Nature Communications》的一項(xiàng)研究突破了這一瓶頸。由Vasileios Skaltsogiannis、Philippe Giegé和Florent Waltz領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)利用冷凍電鏡（cryo-EM）技術(shù)，成功解析了花椰菜（cauliflower）mitoribosome的高分辨率結(jié)構(gòu)，包括其翻譯狀態(tài)和成熟狀態(tài)。這項(xiàng)研究不僅揭示了mitoribosome與肽酰位點(diǎn)（P-site）tRNA、mRNA片段及新生肽鏈結(jié)合的精細(xì)結(jié)構(gòu)，還首次系統(tǒng)鑒定了植物mitoribosome中的rRNA修飾譜，并發(fā)現(xiàn)了一個與小亞基（SSU）晚期組裝中間體相關(guān)的關(guān)鍵組裝因子RsgA的作用機(jī)制。

關(guān)鍵技術(shù)方法

研究團(tuán)隊(duì)從花椰菜中純化線粒體和mitoribosome，分別使用氯霉素（chloramphenicol）或非水解GTP類似物（GTPγS）處理以捕獲翻譯停滯或組裝中間狀態(tài)。通過單顆粒冷凍電鏡技術(shù)解析了三個主要結(jié)構(gòu)：分辨率達(dá)2.1?的完整核糖體、3.0?的帶有P位點(diǎn)tRNA的停滯核糖體，以及2.2?的與RsgA結(jié)合的小亞基組裝中間體。結(jié)合納米孔直接RNA測序（nanopore direct RNA sequencing）和質(zhì)譜分析（mass spectrometry）系統(tǒng)鑒定rRNA修飾。利用ModelAngelo軟件進(jìn)行無偏見的蛋白質(zhì)鑒定和模型構(gòu)建。

植物特異性核糖體蛋白的結(jié)構(gòu)特征

研究揭示了植物mitoribosome由85個核糖體蛋白組成（47個在大亞基LSU，38個在小亞基SSU），其中10個為植物特異性蛋白，包括8個PPR（pentatricopeptide repeat）蛋白。高分辨率結(jié)構(gòu)首次清晰解析了之前未能明確識別的4個PPR蛋白的空間定位。

在大亞基中，重塑的26S rRNA結(jié)構(gòu)域III由mL104（rPPR9）和mL101（rPPR4）主導(dǎo)穩(wěn)定，并發(fā)現(xiàn)了一個新的核糖體蛋白bL25-2m。小亞基最具特色的是其頭部延伸結(jié)構(gòu)，該研究將分辨率提升至約4?，明確了mS80（rPPR6）和mS81（rPPR8）在此區(qū)域的精確定位——mS81通過兩個PPR模塊包裹并形成頭部延伸的尖端。此外，研究還發(fā)現(xiàn)mS77（另一個PPR蛋白）位于mRNA通道出口，可能作為招募mRNA或翻譯因子的平臺。

花椰菜mitoribosome含有19種rRNA修飾

通過冷凍電鏡、納米孔測序和質(zhì)譜三種技術(shù)，研究共鑒定出39個潛在的rRNA修飾位點(diǎn)，其中19個得到至少兩種方法的支持而被確認(rèn)為共識修飾。這些修飾包括8個假尿苷（pseudouridine, Ψ）和3種2'-O核糖甲基化（Nm），形成了圍繞解碼中心和肽基轉(zhuǎn)移酶中心（PTC）的功能簇。

在解碼中心附近，發(fā)現(xiàn)了保守的甲基化殘基m⁶₂A1827和m⁶₂A1828，以及m⁴Cm1664（與mRNA直接相互作用）等修飾。在PTC區(qū)域，鑒定出了高度保守的Gm2560和Um2857。與僅保留少量修飾的哺乳動物和酵母mitoribosome相比，植物mitoribosome保留了更多其細(xì)菌祖先的修飾特征，表明其遵循了不同的進(jìn)化路線。

翻譯狀態(tài)mitoribosome的植物特異性特征

通過氯霉素處理捕獲的翻譯停滯狀態(tài)結(jié)構(gòu)顯示，氯霉素在PTC的結(jié)合模式與細(xì)菌核糖體幾乎相同，證實(shí)了其抑制機(jī)制的保守性。研究解析了mRNA通道內(nèi)六個核苷酸與P位點(diǎn)tRNA反密碼環(huán)的相互作用，并揭示了mRNA通道入口和出口的植物特異性特征。

特別值得注意的是，在mRNA出口通道處，植物特異性蛋白mS77和mS86可能通過穩(wěn)定mRNA相互作用，在植物特異性翻譯起始過程中發(fā)揮重要作用。這些特征表明植物mitoribosome在mRNA招募機(jī)制上已發(fā)生顯著重塑。

RsgA通過植物特異性延伸阻止mRNA提前結(jié)合

研究成功捕獲了一個與小亞基組裝因子RsgA結(jié)合的晚期組裝中間體。結(jié)果顯示，植物RsgA具有一個66個氨基酸的C端延伸，該延伸折疊成一個α螺旋，插入mRNA通道入口處的uS3m、uS5m和uS4m蛋白之間，物理阻斷mRNA通道，從而防止在不完全成熟的小亞基上發(fā)生mRNA的提前結(jié)合。

系統(tǒng)發(fā)育分析表明，RsgA的C端延伸在陸地植物中廣泛保守。有趣的是，在人類mitoribosome小亞基生物發(fā)生過程中，這一功能由組裝因子RBFA通過其線粒體特異性C端延伸實(shí)現(xiàn)。這表明盡管RsgA和RBFA進(jìn)化上不相關(guān)，但它們在植物和人類線粒體中獨(dú)立進(jìn)化出了通過阻塞mRNA通道來控制組裝過程的類似機(jī)制，是趨同進(jìn)化的典型例證。

研究結(jié)論與意義

這項(xiàng)研究通過高分辨率結(jié)構(gòu)生物學(xué)技術(shù)，深入揭示了植物線粒體翻譯裝置的結(jié)構(gòu)和功能特性。研究發(fā)現(xiàn)植物mitoribosome在進(jìn)化上既不同于細(xì)菌核糖體，也不同于其他真核生物的mitoribosome。其PTC區(qū)域保持了細(xì)菌特征的保守性，而mRNA通道則通過植物特異性蛋白（如mS77）發(fā)生了重塑。rRNA的擴(kuò)張段和PPR蛋白的招募共同形成了獨(dú)特的植物特異性結(jié)構(gòu)域。

研究還發(fā)現(xiàn)植物mitoribosome保留了較多細(xì)菌型rRNA修飾，與修飾極少的哺乳動物和酵母mitoribosome形成鮮明對比。對RsgA組裝中間體的結(jié)構(gòu)解析揭示了一種植物特異性機(jī)制，通過該機(jī)制確保小亞基在完全成熟前不會不適當(dāng)?shù)亟Y(jié)合mRNA。

這些發(fā)現(xiàn)不僅增進(jìn)了對植物線粒體翻譯機(jī)制的理解，也揭示了mitoribosome在不同真核生物譜系中的多樣化進(jìn)化路徑。植物mitoribosome的獨(dú)特特征可能是其適應(yīng)植物特異性功能所需，如解碼比其它真核生物更復(fù)雜多樣的mRNA集合。該研究為理解細(xì)胞器基因表達(dá)的進(jìn)化提供了重要見解，并對未來研究植物線粒體功能及相關(guān)疾病具有重要指導(dǎo)意義。