结构生物化学/细胞器/核糖体/成熟

简介

核糖体存在于真核细胞和原核细胞中。然而，真核细胞和原核细胞的核糖体在功能和特性方面存在差异。在真核细胞中，核糖体在细胞核中组装，然后转移到细胞质中完成成熟。成熟包括反式作用关闭因子、转运因子、核糖体中其余蛋白质的整合以及 rRNA 步进过程的最后一步。最近的研究，例如对大型核糖体亚基的研究，证实 60S 亚基以非活性状态从细胞核转运。在亚基到达细胞质后，它会导致一系列事件，使其具有过渡能力。

生物合成

在细胞中，核糖体负责从基因中解码蛋白质信息的最后一步。核糖体由亚基组成，亚基很复杂，由 RNA 和蛋白质组成。两个亚基各司其职。小 40S 亚基用于解码，大 60S 亚基负责多肽合成。使用原核核糖体的结构分析提供了对核糖体功能机制的详细见解，然而我们对核糖体在体内组装的了解仍然不够深入，而且仍然处于初级阶段。生物合成从前 RNA 的转录开始，前 RNA 经历共转录折叠、修饰和与 r 蛋白组装形成两个亚基。在细菌中，亚基的组装需要一些反式作用因子。然而，在真核细胞中，这是一个复杂的过程，需要三种 RNA 聚合酶和超过 200 种反式作用因子。因此，有助于亚基的成熟和细胞间转运。真核细胞中的核糖体在 rRNA 转录的核仁中组装。释放的核糖体前体虽然看起来是预组装的，但需要在核质和细胞质中进行成熟步骤。在 1970 年代，Planta 和 Warner 的工作导致了第一个核糖体前体 90S 粒子的鉴定。90S 被加工成更小的 66S 和 43S 粒子。这些是成熟 60S 和 40S 亚基的前体。这些粒子包含前 rRNA、r 蛋白和不同数量的反式作用因子。在 1990 年代初期，在芽殖酵母中应用遗传方法，使得能够鉴定出各种反式作用因子，从而对 rRNA 过程中涉及的高度有序步骤有了更清晰的理解。即使取得了这些进步，核糖体前体粒子的组成和构成仍然是一个谜，直到最近十年才得以解开。串联亲和纯化 (TAP) 与质谱联用使我们能够分离和分析芽殖酵母中成熟的 60S 前体和 40S 前体的组成。这些分析有助于对 60S 和 40S 途径中核糖体前体粒子的排序，使我们能够描绘高度复杂的组装过程。

在酵母中，核仁中的 RNA 聚合酶 I 帮助转录 35S。转录的 rRNA 被甲基化、假尿嘧啶化并加载有 r 蛋白和反式作用因子，使其形成 90S。90S 粒子含有 r 蛋白和反式作用因子，这些因子对于 40S 生物合成途径很重要。rRNA 在 A2 位点的裂解因此释放了 40S 前体粒子，其成熟和生物合成独立于 60S。一旦 40S 前体被释放，剩余的前 rRNA 与大亚基 r 蛋白和生物合成因子组装形成 60S 前体粒子。不同的是，40S 前体粒子在从核质转移的过程中经历了一些成分变化。与 60S 前体相比，40S 前体被输出到细胞质中。相反，60S 前体粒子在整个生物合成过程中与大约 100 个反式作用因子相关联，并且在从核质移动到核孔复合体的过程中也改变了组成。

在生物合成中，细胞核和细胞质参与了不同的阶段。在这些阶段，反式作用因子从核糖体前体粒子中释放出来，并被回收用于新的生物合成循环。这些事件是由与成熟的核糖体前体粒子相关的消耗能量的酶引起的。这些酶的位点及其在核糖体成熟中的确切功能仍然未知。该领域的研究表明，两种大型 AAA-ATP 酶 Rix7 和 Rea1 参与了 60S 前体亚基的成熟。Rix7 似乎在核仁过渡中从亚基中剥离 Nsa1，而 Rea1 被认为通过去除 Rsa4 来驱动 60S 前体粒子具有输出能力。因此，认为 AAA-ATP 酶在核糖体前体粒子从细胞核中移除之前，直接促成了其复杂性的顺序减少。

核仁前核糖体亚基的核输出

一旦核仁前核糖体亚基在细胞核中产生，它们就会通过 NPC（核孔复合体）转运到细胞质中。NPC 是细胞中最大的蛋白质复合体，负责细胞核和细胞质之间成分的受保护交换。它还有助于防止不应跨过核膜的物质的转运。 。据发现，对于 r 亚基的核输出，需要独特的核孔蛋白来实现两个亚基的输出。核孔蛋白只是 NPC 的蛋白质。此外，研究人员发现 Ran GTP-GDP 循环是必需的。40S 前体和 60S 前体粒子彼此独立输出，但是，它们都需要具有通用核输出因子 Xpo1 或 Crm1，这些因子可以直接识别核输出序列。 核输出序列是氨基酸序列，用于标记蛋白质从细胞核输出到细胞质。Nmd3 是 60S 前体粒子中唯一已知的 Crm1 衔接蛋白。然而，在 40S 前体输出中，至少有三个含有 NES 的反式作用因子充当 Crm1 衔接蛋白。这些反式作用因子包括 Ltv1（在人类中）、DIM2 和 RIO2。 一个有趣的事实是，40S 输出衔接蛋白存在冗余，因为 Ltv1 的性质几乎是非必需的。为了实现核糖体前体亚基的有效输出，需要多个受体。例如，在芽殖酵母中，60S 前体粒子利用其他因子来帮助核孔复合体进行其输出活动。

前核糖体亚基在细胞质水平上的成熟

在生物合成的早期阶段，许多与核糖体前体粒子相关的反式作用因子从细胞核中释放出来，并可以回收回细胞核。这个过程发生在核输出之前。有一些因子仍然与核糖体前体亚基相关联，因为它们进入细胞质。我们将独立观察 60S 前体亚基和 50S 前体亚基的成熟。

前60S亚基的成熟

60S 前体亚基进入细胞质，并带有必须由细胞质中独特的因子释放的非核糖体因子的随行人员。应该强调的是，几个核糖体蛋白质对于增加亚基的功能是必需的。60S 前体亚基成熟的步骤如下所示。

1. 60S 前体粒子退出细胞核并进入细胞质
2. 在细胞质中，一个第三个必需的 AAA-ATP 酶被引入到 60S 前体粒子中

前核糖体亚基的成熟

在早期生物合成中与核糖体前体粒子相关的反式作用因子在核输出之前被释放并回收利用到核中，但一些因子在进入细胞质时仍然与这些粒子相关联。通过释放和回收这些因子以及组装其余的 r 蛋白和 RNA 的最终加工构成了核糖体生物合成途径中的“细胞质成熟步骤”。这些步骤不仅对于亚基的完全成熟至关重要，而且因为如果细胞核未能回收利用一个因子，会导致该因子从核仁中耗尽，从而导致前 rRNA 加工延迟、组装缺陷和核输出受损。

细胞质成熟的“途径”

ATP酶和GTP酶彼此之间并不依赖，因此由ATP酶和GTP酶驱动的事件可以无特定顺序地发生。然而，一些证据表明这些事件的耦合可能会发生。Drg1是一种AAA-ATP酶，它阻止Rlp24、Nog1和Arx1的循环，并一定程度上阻止Tif6的循环。有了这些信息，就可以开始对事件进行排序。首先，Drg1释放Rlp24，而Rlp24加载到亚基中会带来Rei1。当Rei1与Jjj1和Ssa1/Ssa2一起工作时，Arx1就会被释放。Arx1存在于亚基中最终会阻碍Tif6的释放。从Drg1释放Rlp24开始，一系列事件发生，最终导致Tif6的释放。

结论

由于遗传密码的翻译必须正确进行，因此可以合理地推测真核细胞进化出质量控制机制来监测核糖体生物合成。一些研究证明，40S和60S生物合成途径中的胞质成熟步骤是通过亚基的激活来完成的。当抑制因子被去除并添加功能性时，就会实现这一点。这些胞质成熟步骤的控制保证了只有功能性核糖体亚基的转移。