RNA的自我調控功能

日期：2013-08-29 10:48:50

近日，科學家們獲得了兩個結合在一起的RNA分子的結晶結構圖譜，這一科研結果不僅能夠幫助科研人員了解這些調控核糖開關（riboswitch）是如何對mRNA的表達進行調控的，也可以進一步豐富我們對RNA結構以及組織類型的理解和認識。

近三十年里，關于RNA在細胞生理進程中所起到的作用，我們有了爆炸式的認識。比如有一大類調控RNA——我們將其稱作核糖開關（riboswitch），通過對這些分子的結構的研究，可以了解這些核糖開關能夠通過與特異性配體（ligands）的識別、及結合的方式，對其下游信使RNA的轉錄，或者翻譯過程進行調控。最近，Zhang和Ferré-DAmaré等人又發現了一個新的分子結構，這是一種細菌核糖開關的分子結構，是T-box核糖開關與tRNA分子結合而成的復合物的分子結構。Zhang等人的研究成果向世人展示了一種RNA分子是如何識別另外一個與其大小差不多的RNA分子，然后又通過一種非常簡單的開關機制，對自身的轉錄進行調控這一整個過程。

為了合成蛋白質，細胞必須對各種tRNA進行調控，這些tRNA能夠與對應的氨基酸殘基共價結合，將其運送至蛋白質鏈上的相應位置。氨酰-tRNA合酶（aminoacyl-tRNA synthetases）就是負責讓tRNA與對應的氨基酸殘基共價結合的酶。在革蘭氏陽性菌中，有一種叫做T-box的核糖開關，該分子位于每一種氨酰-tRNA合酶mRNA編碼序列的上游，起到負向調節該合酶編碼mRNA分子合成的作用。

在這種T-box RNA分子里，至少含有兩種獨立的折疊結構域（folded domain），其中一種是起到感知作用的適體結構域（aptamer domain），該結構域能夠形成一種長莖結構，與特定的tRNA分子結合，我們將其稱作stem I結構域；另外一種結構域則是在兩種不同的構象間進行轉換，起到真正的分子開關的作用，該結構域的開關取決于所結合的tRNA分子是否連接了氨基酸殘基。如圖1a所示，如果tRNA分子上連接了氨基酸殘基，那么氨酰-tRNA合酶編碼mRNA的轉錄過程就會終止，如果tRNA分子上沒有連接氨基酸殘基，那么T-box分子開關就會穩定在抗轉錄終止的構象（antiterminator conformation）上，促進氨酰-tRNA合酶編碼mRNA的轉錄，以及后續蛋白質的合成作用，如圖1b所示。

stem I結構域是一種雙螺旋（double-helical）的RNA結構域，大約有100個核苷酸那么長，上面遍布了多個結構非常保守的基序（motif）。之前的研究已經發現，這些基序中絕大部分都與tRNA的識別和結合作用相關，不過原子層面（atomic-level）的詳細作用機制還不清楚。Zhang和Ferré-DAmaré他們的工作首次觀測到了T-box分子中的stem I結構域，與未結合氨基酸殘基的甘氨酰tRNA分子組成的復合體的晶體結構，讓我們有機會了解核糖開關與tRNA分子結合的具體細節。這個復合體的晶體結構圖還能夠解釋stem I基序的精細作用，提供與其協同作用相關的具體信息，也能夠幫助科學家們了解這種基序的結構為什么會高度保守。

stem I結構主要識別的似乎是tRNA分子上的兩個位點，分別是反密碼子環（anticodon loop）和T、D環（T- and D-loops）。而且stem I結構還會進行折疊，適應tRNA的形狀，以便讓stem I結構域的兩端分別與反密碼子環和T、D環接觸并結合。

其實科學家們根據生物信息學（bioinformatics）數據、生物化學數據，以及結構學的數據已經預測出了tRNA的T、D環能夠與T-box的stem I結構域結合。比如前不久有一個晶體結構研究工作就得到了這種T-box和tRNA復合體中stem I結構域末端片段的結構圖，從圖中就可以看出，該片段呈現出兩個環互相交錯在一起的結構（interleaved loop），這種結構與核酶RNase P與另外一種組成核酶的RNA組份形成的復合體（這兩種較大的RNA分子也能夠識別tRNA）的結構非常相似。在這種核酶復合體中，交錯環結構就參與了tRNA分子的識別與結合作用，主要的結合機制就是讓RNA復合體中一個平面上的堿基堆積到tRNA分子中在進化上高度保守的未疊加堿基上。

Zhang和Ferré-DAmaré等人近日得到了T-box核糖開關上的stem I結構域與未結合氨基酸殘基的tRNA組成的RNA復合體的晶體結構圖。從圖中可以看出，stem I結構域在雙核苷酸突起（dinucleotide bulge）和K轉折（K-turn）這兩個位置折疊，分別與tRNA分子的反密碼子環和T、D環結合。a，tRNA分子上結合的氨基酸殘基能夠阻止T-box分子上stem I結構域下游的基序與tRNA的受體末端（acceptor end）結合，促進終止環（terminator loop）的形成，阻止T-box分子下游的mRNA的轉錄。b，在未結合氨基酸殘基的tRNA分子中，游離的受體末端能夠直接與T-box序列發生相互作用，促進抗終止環（antitermination loop）的形成，使得mRNA繼續大量轉錄，并翻譯成相應的蛋白質。

Zhang和Ferré-DAmaré得到的晶體結構圖驗證了這種猜想，同時也證明了這種交錯環結構能夠識別tRNA分子中保守的肘狀結構（elbow），而且采用的方式也和之前觀察到的差不多。這個結構圖還讓科學家們得到了一個驚人的發現，即甘氨酰tRNA上的反密碼子三聯序列與stem I結構域的相互作用幾乎與反密碼子環與核糖體上的mRNA之間的相互作用是一模一樣的。

Zhang等人的工作還進一步揭示了一種非常精妙的相互誘導契合機制（mutually induced fit mechanism），T-box核糖開關使用的就是這種機制，所以能讓T-box與tRNA分子的構象互相適應，貼合得更加牢固。由于tRNA分子的可塑性較高、彈性非常大，所以這一次得到的復合體晶體結構圖也非常漂亮，清晰的展現了stem I結構域是如何彎曲、折疊，以適應tRNA兩個鉸鏈區（hinge region）的分子結構，與其完美地貼合在一起。這兩個鉸鏈區都是高度保守的結構域，其中一個是雙核苷酸突起（dinucleotide bulge）基序，另外一個是K轉折（K-turn）基序，如圖1所示。從這個結構圖中也可以了解到，為什么這兩個鉸鏈區發生突變之后就會影響到stem I結構域對tRNA的結合與調控作用。

由此可見，Zhang和Ferré-DAmaré的工作對于幫助我們從原子層面上去認識T-box核糖開關的作用機制起到了多么大的作用。它揭示了一種小分子RNA是如何“盡其所能”的與tRNA發生相互作用，與其結合在一起的。不過T-box核糖開關是如何識別tRNA是否已結合氨基酸殘基，并改變其構象與之結合，發揮調控功能，這些作用機制現在還不清楚，但是Zhang等人的這項工作能夠幫助我們更接近事情的真相。

這個晶體結構信息還提供了很多其它非常有價值、也非常有意思的信息，比如RNA間相互識別的信息、RNA結構以及組織類型的信息等。雖然目前有關大RNA分子的結構信息還比較少，但是從現有的資料中也能夠發現RNA識別機制中的一些共性。從目前掌握的資料來看，對tRNA分子的識別至少會涉及RNA分子的兩個末端區域。RNA分子的可塑性對于分子間的識別和結合起到了至關重要的決定性作用，能夠讓RNA分子間的相互作用最大化，使兩個RNA分子的構象調整到充分契合的狀態。另外，被反復使用的那幾個結構基序，比如stem I結構域中的那幾個基序，似乎也具有非常重要的作用。

T-box stem I-tRNA復合體的晶體結構圖是一個很好的例證，證明了RNA分子在構象方面的可塑性（conformational versatility），RNA分子通過改變構象可以展現出各種不同的功能。隨著我們對RNA結構與功能的認識不斷深入，我們也逐漸認識到了RNA分子的其它功能，而在以前，我們都會認為這些功能都是蛋白質特有的。所以在將來的某一天，完全有可能用RNA來代替蛋白質，行使各種功能。我們希望在未來的生物學研究中能夠發現更多的RNA功能。