冷冻电镜助力,复旦大学麻锦彪团队合作解析果蝇Dicer-2结合双链RNA加工生成siRNA的分子机制,成果登上《自然》主刊

作者:摄影: 视频: 来源:生命科学学院发布时间:2022-06-30

RNA干扰(RNAi)是许多真核生物中一种保守的RNA沉默机制, 小干扰RNA是RNA干扰的关键组成部分。在果蝇中,siRNA的产生是由Dicer-2(Dcr-2)蛋白在其辅因子Loqs-PD的辅助下,从长的双链RNA(dsRNA)上切割产生21个碱基对的双链siRNA。Dicer-2是最早被发现的ATP依赖型的Dicer家族蛋白,在2000年即发现siRNA加工生成过程是ATP依赖的。近年来,虽然有多篇关于Dicer家族蛋白的生化与结构研究的文章发表,但是对于ATP依赖型的Dicer蛋白识别并切割RNA底物的整个过程的分子机制仍不清楚。

2022年6月29日,复旦大学麻锦彪团队与清华大学王宏伟团队在《自然》杂志主刊Nature在线发表了题为Structural insights into dsRNA processing by Drosophila Dicer-2–Loqs-PD(《果蝇Dicer-2和Loqs-PD复合物在双链RNA加工过程的结构深入解析》)的文章,该研究通过解析了包括Dicer-2-Loqs-PD单独蛋白,以及Dicer-2–Loqs-PD在有无ATP的情况下结合dsRNA的6套冷冻电镜结构(图1),结合生化实验分析,首次揭示了Dicer-2-Loqs-PD复合物结合并切割双链RNA产生siRNA的依赖ATP的加工循环分子机制(图2),解决了20多年困扰小干扰RNA领域的关键科学问题。


 图1. Dicer-2–Loqs-PD结合双链RNA复合物在不同状态下的冷冻电镜结构。

此前的研究报道了Dicer-2蛋白结合底物时就会有明显的构象变化,加之ATP依赖的Dicer-2蛋白在siRNA加工过程中需要通过水解ATP来在双链RNA上移动,并且连续的切割过程势必也会导致存在处于不同状态的复合物,三者叠加势必对复合物的均一性造成较大的影响。对此,研究团队从活性位点突变的单独蛋白复合物结构开始解析;之后加入了双链RNA,获得了无ATP时,处在初始结合状态的Dicer-2–Loqs-PD–dsRNA复合物高分辨结构;在此基础上,进一步加入ATP,通过数据收集与计算分类,得到了切割活性状态与两种明显具有不同结构特点的移位状态(早起移位与中期移位状态);然后使用正常活性的Dicer-2蛋白,获得了处于切割后状态的复合物,并通过分析发现它正向早起移位状态转变;从而将整个过程串起,阐明了Dicer-2–Loqs-PD复合物从结合双链RNA并在其上移动,到形成切割活性状态,直至切割完成产生siRNA的整个循环过程的分子机制和其中连续且递进的构象变化。

图2. Dicer-2–Loqs-PD复合物结合双链RNA蛋白生成siRNA的加工循环过程机制模型。

复旦大学生命科学学院的苏世晨博士和清华大学生命科学学院的王家博士为本文共同第一作者,复旦大学生命科学学院麻锦彪教授与清华大学生命科学学院王宏伟教授为本文的共同通讯作者。上海交通大学医学院附属新华医院的黄旲研究员课题组也参与了研究工作。国家蛋白质科学研究(北京)设施清华基地和水木未来(北京)科技有限公司为冷冻电镜的数据收集与处理提供了支持;国家蛋白质科学中心(上海)提供了质谱分析方面的支持与帮助。该项研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、遗传工程国家重点实验室、mRNA创新与翻译中心和科学探索奖的经费支持。

原文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-022-04911-x

制图:实习编辑:章一诺责任编辑:李斯嘉

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