眾所周知，根據中心法則，DNA轉錄為mRNA，mRNA再翻譯為蛋白質(zhì)，mRNA的降解速率是每個(gè)基因產(chǎn)生的蛋白質(zhì)的數量的主要決定因素，而這又會(huì )影響細胞功能。例如，對于mRNA疫苗，mRNA存在更長(cháng)時(shí)間會(huì )產(chǎn)生更多蛋白質(zhì)，從而更好地激活免疫系統以抵抗感染；而對于CRISPR-Cas9基因編輯，產(chǎn)生Cas9蛋白的mRNA最好在完成編輯后立即被清除，以防止錯誤地編輯其他基因。
在mRNA翻譯為蛋白質(zhì)的過(guò)程中，轉運RNA（tRNA）負責識別mRNA上的每個(gè)密碼子，并將對應的氨基酸添加到多肽鏈，再進(jìn)一步折疊、修飾為蛋白質(zhì)。
而 Science 期刊發(fā)表的一項最新研究發(fā)現了tRNA的全新作用——在翻譯過(guò)程中調控mRNA降解。
2024年11月22日，德克薩斯大學(xué)西南醫學(xué)中心 Joshua Mendell 教授團隊（博士后朱小強為第一作者）在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊 Science 上發(fā)表了題為：Specific tRNAs promote mRNA decay by recruiting the CCR4-NOT complex to translating ribosomes 的研究論文。
該研究通過(guò)冷凍電子顯微鏡和tRNA突變實(shí)驗發(fā)現，解碼精氨酸密碼子的特異性tRNA直接將CCR4-NOT復合體招募到正在翻譯的核糖體，啟動(dòng)mRNA降解，從而促進(jìn)mRNA周轉。相反，還有一些tRNA具有阻止CCR4-NOT復合體募集的結構特征。
該研究發(fā)現了tRNA在翻譯過(guò)程中調控mRNA降解的新作用——P位點(diǎn)tRNA介導的mRNA降解（P-site tRNA–mediated mRNA decay），擴展了tRNA的已知功能，揭示了調控哺乳動(dòng)物細胞中mRNA穩定性的新機制，這一機制對于調控基因表達至關(guān)重要，尤其是線(xiàn)粒體相關(guān)mRNA，因此，這一發(fā)現可能為線(xiàn)粒體遺傳病、肥胖癥以及癌癥等線(xiàn)粒體相關(guān)疾病提供新的治療方法。
許多RNA結合蛋白和調節性RNA通過(guò)與特定信息結合并招募降解因子（包括CCR4-NOT復合物）來(lái)促進(jìn)mRNA降解，CCR4-NOT復合物通過(guò)去除mRNA的poly(A)尾使其不穩定。
最近有研究表明，當翻譯效率低下時(shí)，CCR4-NOT復合物也可以直接募集到核糖體。具體而言，當核糖體遇到含有有限同源tRNA的密碼子（非最優(yōu)密碼子）時(shí)，它可能會(huì )以空的A位點(diǎn)（A-site）和E位點(diǎn)（E-site）的構項暫停下來(lái)。這使得CCR4-NOT復合物的一個(gè)亞單位CNOT3與空的E位點(diǎn)結合，從而促進(jìn)mRNA的降解和加速周轉。
對人HEK293T細胞中與CNOT3結合的核糖體相關(guān)的mRNA印記進(jìn)行高通量測序發(fā)現，在A(yíng)位點(diǎn)緩慢解碼的密碼子的存在并不是核糖招募CNOT3的強信號。相反，P位點(diǎn)的特定精氨酸密碼子（CGG、CGA和AGG）與CNOT3的招募高度相關(guān)，而其他密碼子（包括指定天冬酰胺、賴(lài)氨酸、異亮氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸、甲硫氨酸和蘇氨酸的密碼子）則從結合CNOT3的核糖體的P位點(diǎn)被消耗。
mRNA半衰期的測量和mRNA密碼子含量的分析表明，編碼線(xiàn)粒體核糖體蛋白的mRNA高度富集了CNOT3相關(guān)的精氨酸密碼子，因此，CCR4-NOT復合物是一個(gè)強大的線(xiàn)粒體翻譯和質(zhì)量的負調控因子。
研究團隊表示，由于線(xiàn)粒體相關(guān)mRNA受這種新發(fā)現的mRNA降解機制的影響最為嚴重，將來(lái)有望利用這種降解機制來(lái)治療某些遺傳性線(xiàn)粒體疾病以及其他線(xiàn)粒體發(fā)揮關(guān)鍵作用的疾?。ɡ绶逝职Y和癌癥）。
為了研究P位點(diǎn)密碼子身份如何調控CNOT3招募，研究團隊對含有CGG精氨酸密碼子的CNOT3結合的核糖體進(jìn)行了冷凍電鏡分析，結合tRNA和CNOT3的突變，產(chǎn)生的高分辨率冷凍電鏡結構揭示了P位點(diǎn)tRNA在CNOT3招募中的核心作用。
核糖體的分子模型（藍色和黃色），CCR4-NOT復合物的一部分（綠色）結合在E-位點(diǎn)，識別P-位點(diǎn)的特異性精氨酸tRNA（橙色）。
具體來(lái)說(shuō)，CNOT3進(jìn)入空的E位點(diǎn)，與P位點(diǎn)tRNAArg,CCG的D臂（D-arm）形成氫鍵相互作用。這些促進(jìn)CNOT3募集的相互作用依賴(lài)于解碼CGG、CGA和AGG的精氨酸tRNA中罕見(jiàn)的U13:A22:A46三聯(lián)體的存在。此外，解碼從CNOT3結合核糖體中缺失的密碼子的tRNA通常在D環(huán)（D-loop）中含有一個(gè)額外的核苷酸，該核苷酸與CNOT3發(fā)生空間沖突，從而阻止其募集。
P位點(diǎn)tRNA控制著(zhù)CCR4-NOT復合體向翻譯中的核糖體的募集。緩慢解碼導致核糖體具有空的A位點(diǎn)和E位點(diǎn)，為CNOT3進(jìn)入E-位點(diǎn)并探測P-位點(diǎn)tRNA提供了機會(huì ),精氨酸特異性tRNA穩定CNOT3的募集并促進(jìn)mRNA的降解，而其tRNA在空間上阻斷CNOT3的結合，使mRNA能夠繼續翻譯。
總的來(lái)說(shuō)，該研究揭示了tRNA除了在mRNA解碼中發(fā)揮經(jīng)典作用外，還參與了翻譯中的核糖體招募轉錄調控因子，從而促進(jìn)mRNA降解，加速其周轉。研究團隊提出了P位點(diǎn)tRNA介導的mRNA降解（P-site tRNA–mediated mRNA decay）來(lái)描述這種mRNA加速周轉的新機制。
論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adq8587
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