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RNA翻译与蛋白质折叠之间的微妙舞蹈

在蛋白质的合成过程中,RNA翻译会影响蛋白质的折叠,而蛋白质折叠也会影响RNA的翻译。


在过去的十年里,我们对细胞内蛋白质合成方式的认知取得了快速的增长,其中包括蛋白质合成的各个基本步骤:转运RNA(transfer RNA, tRNA)是如何高保真、高速率地对信使RNA(messenger RNA, mRNA)进行解码的;在翻译过程中,核糖体是如何从mRNA上的一个密码子移动到下一个密码子的;相应的多肽链的合成过程是如何在mRNA的特定位点上启动和终止的。


核糖体颗粒是由RNA和蛋白质聚集而成的复合物,分子量为数兆道尔顿。通过了解核糖体颗粒的结构,我们就能够从分子水平上详细地了解mRNA解码和肽键形成的活跃部位,也能够了解核糖体配体、合成因子及核糖体亚基的活动路径。虽然我们掌握了如此丰富的知识,但是仍然不清楚蛋白质产物的命运。蛋白质在mRNA翻译过程中如何进行折叠?蛋白质折叠可能会如何影响mRNA的翻译?Goldman等人及Kim等人报道了一系列巧妙的生物物理学方法和生物化学方法,解决了以上这些问题,并且进一步加深了人们对共翻译蛋白质折叠(cotranslational protein folding)的理解。


在翻译过程中,新生蛋白的合成顺序是由氨基端延伸到羧基端的。不断延长的多肽链穿过核糖体大亚基中100 ?的通道(即核糖体输出通道),释放到细胞质中。肽链输出通道很狭窄,只能容纳呈α螺旋结构的多肽链。因此,当多肽链的特定区域进入到细胞质中时,新生蛋白只能够折叠成三级结构。在体外实验中,较短的蛋白质结构域可以自发性地进行折叠,且速度非常迅速,折叠的时间范围为10-6到10-3秒。


而对于分子量较大的蛋白质、具有复杂拓扑结构的蛋白质或多结构域蛋白质而言,折叠过程将耗费更多的时间,还需要在蛋白质折叠伴侣(chaperone)的辅助下才能完成。由于RNA可以以每秒钟1到20个氨基酸的速度来进行翻译(翻译速度取决于生物种类和外界条件),因此蛋白质折叠和RNA翻译通常可以在参与翻译的核糖体上同时进行(即共翻译折叠)。当新生肽链从核糖体输出通道中释放出来时,大量的分子伴侣和蛋白质加工因子就会结合到肽链上。因此至关重要的是:我们应当了解蛋白质的合成速度和蛋白质折叠过程之间的关联。


新生多肽链上存在着一些可以使核糖体暂停或停止翻译的序列,这就突出了RNA翻译和蛋白质折叠之间的相互作用。研究者们在大肠杆菌SecM的翻译过程中发现了终止序列。SecM序列是一段具有18个氨基酸的延伸物。核糖体在翻译带有SecM序列的蛋白质时,当SecM序列出现在核糖体输出通道内的、肽酰tRNA(peptidyl tRNA)和通道狭窄收缩区附近的区域时,核糖体就会暂停或停止翻译。


肽链和各个核糖体元件之间的相互作用会在某个精确的位置上延缓并阻断后续的肽链延伸过程,而在此过程中,被中止的翻译复合物将会进入到核糖体的分泌通道中,该通道利用5'-三磷酸腺苷(adenosine 5′-triphosphate)水解作用所产生的能量,使蛋白质从分泌通道中释放出来。这一现象表明,通过向核糖体中的新生多肽链施加外力,就可以缓解受到阻滞的RNA翻译过程。这一假说得到了一些体内研究的支持。


Goldman等人采用一些巧妙的单分子研究方法,明确地证明:通过向多肽链施加外力,就可以缓解被阻滞的RNA翻译过程。他们利用光学捕获技术(optical trapping technology),将附着在较大粒子上的分子捕获下来,并用强激光束来处理这些分子,从而能够测量并改变生物系统所承受的外力。Goldman等人准备了一些翻译被阻滞的、内有新生肽链的核糖体,并用生物素对其进行了标记。随后他们利用一根系链,将核糖体结合到具有静电的微量移液管上,而被生物素标记的新生肽链则被连接到聚苯乙烯粒子上。


Goldman等人特地为被阻滞的新生肽链设计了一个氨基端钙调素结构域,该结构域的折叠过程已经被研究得非常透彻。当外力的强度较弱且较稳定时,钙调素结构域会处于半折叠半展开的波动状态。在蛋白质的去折叠和重折叠过程之后,聚苯乙烯粒子就会离开钙调素结构域,向俘获区域的中心移动,而此时,钙调素结构域的波动状态就会产生一个明确的信号。当蛋白质折叠过程重新启动时,重新启动的RNA翻译将会释放系链,从而使研究者们能够间接地监测RNA翻译情况以及新生肽链所承受的外力。


Goldman等人指出,通过增加新生肽链所承受的外力,就能够缓解由SecM序列所诱导的翻译阻滞作用。Top7是一种特殊的蛋白质,研究者们已经明确指出,Top7会随着外力的变化而发生折叠-去折叠状态的转变。而Goldman等人随后则使用Top7来进行研究,探讨蛋白质在核糖体附近进行折叠时,是否会产生一种与光学势阱相类似的定向牵引力。


Goldman等人利用体内试验,测定了荧光蛋白的合成情况;由于荧光蛋白只会在SecM阻滞作用被缓解的情况下才开始进行合成,因此Goldman等人的试验结果表明,如果在核糖体输出通道附近存在有蛋白质折叠区的话,就会对被阻滞的核糖体新生肽链产生外力,从而重新启动RNA的翻译过程(如下图所示)。为了缓解由SecM所诱导的翻译阻滞作用,我们应当对新生肽链施加至少10 pN的外力,而这一强度相当于小片段蛋白质结构域在折叠过程中所产生的力量。


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解除对mRNA翻译的阻滞。如图所示,核糖体具有两个亚单位。当核糖体翻译mRNA上的SecM序列(红色),并且核糖体输出通道被氨基酸残基堵塞时,RNA翻译过程将会被阻滞。该模型显示了蛋白质在刚刚靠近核糖体输出通道时,其折叠过程将如何产生定向牵引力,来重新启动RNA的翻译过程。


Goldman等人的研究结果指明了蛋白质的折叠过程是如何调节RNA翻译的动态变化的,但是RNA的翻译速度和新生肽链在核糖体内的结合情况是否也能够控制蛋白质的折叠方式呢?研究者们开展了越来越多的体内试验和体外试验,来探讨这一问题。囊性纤维化跨膜传导调节蛋白(cystic fibrosis transmembrane conductance regulator)的错误折叠与疾病的发生有关。Kim等人通过化学方法,将染料分子结合到囊性纤维化跨膜传导调节蛋白羧基末端的不同残基上,随后利用整体荧光共振能量转移(fluorescence resonance energy transfer, FRET)技术,研究了氨基端的荧光蛋白与羧基端的染料分子之间的距离。


Kim等人测量了附着在核糖体(未进行翻译)上的新生肽链的整体FRET水平,也测量了以游离状态释放到细胞质中的新生肽链的整体FRET水平,随后发现在蛋白质折叠的后期阶段,由于多肽链的羧基端与氨基端之间会发生相互影响,从而延缓了蛋白质折叠的进程。多肽链在核糖体输出通道中的结合状态可以调节这种延缓的蛋白质折叠过程,此外,核糖体外的蛋白质结构域的稳定折叠也可以通过与核糖体产生相互作用,来调节延缓的蛋白质折叠过程。


以上研究结果以及Goldman等人的研究结果均指明了核糖体是如何指导蛋白质折叠的。Kim等人也指明了密码子的使用情况将如何调节翻译速度和多肽链在核糖体输出通道中的结合状态,他们的研究结果符合之前多项研究的预测。



Goldman等人和Kim等人的研究结果都清楚地证明了蛋白质折叠和RNA翻译之间是密切耦合的,但是仍然需要开展大量的研究来证实这一点。利用实时动态资料,我们就能够直接揭示蛋白质折叠和RNA翻译过程是如何相关联的。


我们也需要开展结构研究,尤其应当利用先进的冷冻电子显微镜(cryo-electron microscopy),来探索以下问题:核糖体是如何与新生肽链相互作用,以阻滞RNA翻译或指导蛋白质折叠的?当新生多肽链从核糖体中释放出来时,会有多种因子结合在多肽链上,而对这些因子的研究具有额外的生物学意义,但是也增加了研究的复杂性。这些因子可以对多肽链进行加工或修饰、引导多肽链的折叠、或者将新生蛋白带入到靶细胞内。如果我们从机制上和结构上来动态地说明它们的功能的话,将会极大地丰富我们对RNA翻译的了解。


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