Science | 细胞应激适应的保守翻译调控机制——rRNA 扩张段介导无活性动物核糖体寡聚化|rna|二聚体|介导|核糖体|细胞|翻译

撰文 | Enigma

核糖体是催化 mRNA 翻译为蛋白质的核心分子机器，由核糖体 RNA （ rRNA ）与核糖体蛋白共同组成。 rRNA 核心催化区域在细菌至人类中高度保守，是蛋白质合成的功能基础，真核生物 rRNA 保守核心区间插入的高变序列被定义为 rRNA 扩张段（ Expansion Segments,ESs），其序列与长度在物种间差异显著，绝大多数 ESs 的生物学功能长期未被解析，是核糖体生物学领域的关键空白。原核生物在环境应激状态下，可通过特异性蛋白因子介导无活性核糖体形成休眠二聚体，以保存核糖体资源并实现应激解除后的翻译快速恢复，动物细胞中早有核糖体 - 核糖体相互作用的观测记录，但动物细胞是否采用保守的核糖体应激休眠机制、该机制的分子介导因子、精准调控方式及生理意义均未被阐明， rRNA 扩张段是否参与该过程也无直接实验证据，成为领域内亟待解决的核心科学问题。

近日，德国马克斯・普朗克脑研究所 Erin M. Schuman 团队（ Andre Schwarz 与 Mara Mueller 为共同第一作者）在 Science 发表题为 Ribosomal RNA expansion segments mediate the oligomerization of inactive animal ribosomes 的研究论文。该研究通过多核糖体图谱分析、冷冻电镜断层成像（ cryo-ET ）、体外 RNA 互作生化实验、酵母基因工程改造、跨物种序列系统发育分析等技术手段，证实动物细胞在多种应激条件下特异性形成无活性核糖体二聚体，该二聚体既非主动翻译核糖体对，也非核糖体碰撞产物，明确 rRNA 扩张段 ES31Lb 通过同源亲吻环互作介导核糖体二聚化且该作用为二聚体形成的必要且充分条件，同时揭示该过程受细胞内 Mg²⁺ 浓度精准调控，可赋予细胞增殖优势与长期应激抗性，且该机制在脊索动物中具有跨物种保守性与多样性，鸟类可通过 ES31Lb 与 ES9La 异源亲吻环互作形成核糖体四聚体，研究首次揭示rRNA扩张段的核心生理功能，为真核生物核糖体应激调控与进化多样性研究提供了关键实验证据。

研究团队以原代大鼠海马神经元、大鼠 C6 神经胶质瘤细胞为模型，通过营养剥夺、蛋白酶体抑制（ MG132 ）、翻译抑制（ Harringtonine ）等多种细胞应激处理，结合多核糖体图谱检测完成核心表型鉴定，各类应激处理均显著下调细胞全局翻译水平，单核糖体（ 80S ）比例上升、多聚核糖体比例显著下降，同时特异性诱导110S核糖体二聚体大量积累，该峰型在正常培养细胞中仅微量存在。单链核糖核酸酶（ RNase A ）消化实验显示，应激诱导的二聚体峰不受核酸酶处理影响，可排除其为主动翻译核糖体对的可能，且应激处理不会激活核糖体碰撞相关的 JNK 磷酸化信号通路，进一步排除其为核糖体碰撞产物的可能，证实该二聚体为纯粹的休眠状态核糖体，在应激解除后，核糖体二聚体可快速解聚，多聚核糖体比例同步回升，细胞翻译活性实现快速恢复。研究团队利用荧光引导冷冻聚焦离子束切割（ cryo-FIB ）与 cryo-ET 技术对神经元进行原位三维重构，获得核糖体高分辨率结构信息，正常培养条件下神经元核糖体 82% 处于主动翻译状态，应激条件下 67.3% 的核糖体处于休眠状态，且休眠核糖体以 60S 大亚基背对背方式结合，两个核糖体相对旋转约 170° ，该构象与已知的核糖体碰撞二聚体、翻译二聚体结构完全不同。

图 1 ：细胞应激诱导无活性核糖体二聚体的形成与鉴定

研究团队对二聚体连接位点进行精准解析以阐明核糖体二聚化的分子机制，结构拟合结果显示核糖体间的物理连接由 28S rRNA 的真核特异性扩张段 ES31Lb 介导，大鼠 ES31Lb 可形成稳定发夹结构，环区存在 CGCGCG 自我互补序列，可通过 RNA-RNA 同源亲吻环互作实现核糖体间连接。体外 RNA 凝胶迁移实验证实， ES31Lb 发夹在 Mg²⁺ 存在条件下可发生同源二聚，环区关键碱基突变后二聚能力完全丧失。团队通过实验完成必要性与充分性验证，向细胞裂解液中加入竞争性 ES31Lb 发夹，可显著阻断应激诱导的二聚体形成，同时伴随 80S 单核糖体比例上升，将大鼠 ES31Lb 序列导入无天然核糖体二聚能力的酿酒酵母后，应激处理可直接诱导酵母形成核糖体二聚体， cryo-ET 检测证实该酵母二聚体结构与大鼠神经元二聚体完全一致。团队进一步明确二聚体的调控机制， Mg²⁺ 浓度是核糖体二聚体组装的核心调控因子， 12.5/25 mM 高浓度 Mg²⁺ 显著促进二聚体形成， 1.5–2.5 mM 低浓度 Mg²⁺ 则抑制二聚体组装，细胞应激时 ATP 合成受阻，细胞内游离 Mg²⁺ 浓度快速升高触发二聚化，应激解除后胞内 Mg²⁺ 浓度回落，二聚体同步解聚。

图 2 ：胞内 Mg²⁺ 动态变化调控核糖体二聚体组装

为验证该机制的跨物种普适性，团队对 483 种脊索动物的 ES31Lb 序列进行系统发育分析、 RNA 二级结构预测与实验验证，约 17% 的脊索动物具备可介导同源二聚的 ES31Lb 序列，涵盖啮齿类、灵长类（含人类）、鸟类等主要类群，序列预测结果与体外二聚实验、体内多核糖体图谱结果高度一致。人类参考基因组 ES31Lb 无同源二聚能力，但人群中存在 Variant 10 、 Variant 25 两种功能性变体，其中 Variant 10 可在酵母工程模型中介导核糖体二聚，其等位基因频率在人群中为 0.5%–4% 。鸟类则呈现特异性调控模式，鸡胚在冷应激（ 4℃ ， 24h ）条件下不形成二聚体，而是通过 ES31Lb 与 ES9La 的异源亲吻环互作形成核糖体四聚体，四聚体进一步组装为二维片状结构， cryo-ET 解析显示，鸡核糖体四聚体呈环状头 - 尾排列， ES31Lb 与 ES9La 分别位于两个连接位点。

团队通过细胞功能实验明确核糖体二聚化的生理意义，利用 PiggyBac 转座子构建稳定表达竞争性 ES31Lb 寡核苷酸的细胞系，该细胞系二聚化能力显著受损，表现为细胞增殖速率减慢、倍增时间延长，长期营养剥夺应激条件下，二聚化缺陷细胞的死亡率显著高于对照细胞。核糖体二聚化可保护无活性核糖体免于降解，为应激解除后的翻译快速重建提供核心储备，最终赋予细胞增殖优势与长期应激抗性。

该研究的科学价值体现在四个维度，理论层面首次明确rRNA扩张段的核心生理功能为介导无活性核糖体的应激寡聚化，改写了扩张段为“非功能高变区”的传统认知；机制层面揭示动物核糖体休眠不依赖蛋白因子，而是通过RNA-RNA直接互作实现，与原核生物的蛋白介导休眠机制形成本质区别；生理层面阐明了动物细胞保存核糖体资源、快速响应环境变化的保守适应策略；进化层面证实扩张段的高变性为动物适应不同环境提供了演化基础，体现了核糖体调控机制的物种特异性与保守性统一。本研究的冷冻电镜断层成像数据已提交至电子显微镜数据库（ EMDB ），相关代码与原始数据存储于 Edmond 开放研究数据仓库，未来团队将进一步探索 rRNA 扩张段介导的核糖体寡聚化在人类应激相关疾病中的作用，挖掘更多参与核糖体互作的扩张段成员，并解析该机制在不同组织、不同应激条件下的特异性调控模式。

原文链接：https://doi.org/10.1126/science.adr4287

制版人：十一

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