Science：揭示Ccr4-Not复合物监测翻译中核糖体的密码子更优性

2020年4月21日讯/生物谷BIOON/---受到严密控制的基因表达过程需要信使RNA（mRNA），mRNA代表着来自DNA的多肽蓝图，需要细胞的蛋白生产机器--核糖体---来翻译。因此，蛋白水平在很大程度上取决于细胞mRNA的水平，而控制mRNA的衰减是决定基因表达整体水平的最关键过程之一。mRNA的半衰期在不同转录本之间差异很大，对mRNA衰减率（mR

2020年4月21日讯/生物谷BIOON/---受到严密控制的基因表达过程需要信使RNA（mRNA），mRNA代表着来自DNA的多肽蓝图，需要细胞的蛋白生产机器--核糖体---来翻译。因此，蛋白水平在很大程度上取决于细胞mRNA的水平，而控制mRNA的衰减是决定基因表达整体水平的最关键过程之一。mRNA的半衰期在不同转录本之间差异很大，对mRNA衰减率（mRNA decay rate）的调控与mRNA翻译的延伸阶段密切相关。

为此，在多种真核生物中，密码子最优性（codon optimality）已被确立为决定mRNA半衰期的关键参数。此外，人们已经确定了富含非最优密码子的短寿命mRNA的及时衰减需要Ccr4-Not复合物。Ccr4-Not是一种重要的蛋白复合物，它在mRNA降解中的作用已得到很好的研究。在mRNA降解中，它作为主要的细胞质3′-poly(A)-尾巴去腺苷酶（deadenylase），启动了大多数mRNA的降解。

Ccr4-Not复合物通过去腺苷化和随后激活RNA脱帽复合物，使得mRNA能够被主要的核酸外切酶（比如位于5′端的Xrn1和位于3′端的外切体）接触到。Ccr4-Not复合物对密码子的优化监测并对mRNA衰减进行协调的分子机制至今仍不明确。

由于非最优密码子会影响核糖体的解码动力学，而mRNA降解主要是通过共翻译的方式进行的，因此，在核糖体上直接监测密码子最优性是非常有可能的。此外，先前已经提出了参与其中的Ccr4-Not复合物与核糖体之间存在直接的物理联系，这种复合物的Not4亚基是一种E3连接酶，可对酵母40S核糖体亚基中的eS7蛋白进行泛素化修饰。

为此，在一项新的研究中，来自德国慕尼黑大学、日本东北大学和美国凯斯西储大学的研究人员通过结合低温电镜（cryo-EM）、核糖体分析（ribosome profiling）和生物化学分析来深入了解在mRNA稳态的背景下Ccr4-Not复合物和翻译复合物之间的联系。相关研究结果发表在2020年4月17日的Science期刊上，论文标题为“The Ccr4-Not complex monitors the translating ribosome for codon optimality”。
图片来自Science, 17 Apr 2020, doi:10.1126/science.aay6912。
这些研究人员利用亲和纯化的酿酒酵母Ccr4-Not-核糖体复合物进行低温电镜分析，发现Ccr4-Not通过Not5亚基被招募到核糖体上。Not5的N末端---特别是一个三α-螺旋束---与核糖体的E位点特异性地相互作用，移除Not5的N末端导致Ccr4-Not复合物不能与核糖体稳定结合。然而，通过Not4亚基对核糖体小亚基蛋白eS7进行泛素化仍然发生。这种Not5相互作用除了涉及转移RNA（tRNA）和核糖体RNA（rRNA）之外，还涉及核糖体小亚基蛋白eS25。

他们发现，Ccr4-Not与起始阶段的核糖体和延伸阶段的核糖体都有相互作用。不论是在起始阶段还是延伸阶段，Not5只有在核糖体采用了一种在它的A位点不容纳tRNA的独特构象时才与核糖体的E位点结合，这表明核糖体的解码动力学受到破坏。

核糖体分析显示在Ccr4-Not结合的延伸阶段核糖体中，低优化密码子富集在核糖体的A位点。这一观察结果解释了用低温电镜观察到的低A位点tRNA占用率，并提出了这与密码子最优性监测存在关联。与此相一致的是，通过进行mRNA稳定性测定，他们发现，Not5的丢失导致mRNA降解复合物无法感知到密码子最优性。观察到的mRNA半衰期失调是在Not5缺失、Not5 N端缺失、eS25缺失和Not4无法对eS7进行泛素化后检测到的，这显然是Ccr4-Not在核糖体上进一步发挥活性的上游先决条件。此外，在这些突变体中发现mRNA脱帽功能受损，这证实了在这一途径中，Ccr4-Not触发了密码子最优性监测下游的mRNA脱帽。

这项研究阐明了mRNA衰减介导的Ccr4-Not复合物与核糖体之间的直接物理联系。依赖于Not4亚基之前对eS7进行的泛素化，当因较慢的解码动力学使得核糖体A位点缺乏tRNA时，Ccr4-Not复合物（通过Not5亚基）特异性地结合到核糖体E位点。核糖体的这种状态是在它的A位点中存在非最优密码子的情况下发生的，这就解释了富含非最优密码子的转录本半衰期较短的原因。因此，这些研究结果提供了关于Ccr4-Not复合物协调翻译效率与mRNA稳定性的机制上的新见解。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Robert Buschauer et al. The Ccr4-Not complex monitors the translating ribosome for codon optimality. Science, 17 Apr 2020, doi:10.1126/science.aay6912.