Science:解析关键性“基因沉默”蛋白

2013/04/22 admin 130

来自斯克里普斯研究所的科学家们确定了一个在细胞活动中起关键性调控作用的人类蛋白质的三维原子结构。这一研究发现为科学家们理解RNA沉默(RNA-silencing)过程及利用它治疗疾病铺平了道路。相关研究论文发布在4月26日的《科学》(Science)杂志上。

 

“尽管RNA沉默为生物学家们所知也才只有10年左右的时间,然而很清楚的是其具有巨大的尚待发掘的新治疗潜力,”文章的资深作者、斯克里普斯研究所助理教授Ian MacRae说。

 

在这篇文章中,研究人员将焦点放在一个称为Argonaute2的蛋白上。这一蛋白可在基因RNA转录物翻译为功能蛋白前将其拦截和沉默,从而能够有效的沉默“基因”。

 

拦截和破坏信息

 

当编码蛋白质的基因在细胞内处于活性状态时,其信息会从DNA形式转录为信使RNA(mRNA)。如果一切顺利,这些编码的mRNA信号会通向细胞的蛋白质制造工厂,在那里用它作为模板合成新的蛋白质。RNA沉默,又称RNA干扰(RNAi),是一种拦截和破坏这些信息的过程——正因为如此,RNA沉默成为了细胞活性强有力和特异的调控因子,以及对抗病毒基因的强有力的防御者。

 

沉默的过程不仅需要Argonaute蛋白参与,还需要一段短的导向性RNA(guide RNA),称为短干扰RNA(short-interfering RNA)或microRNA。这一导向性RNA插入到Argonaute的槽孔中,作为靶向识别装置。就像VelcroTM的编码条带,导向性RNA锁定在与自己序列互补的特异性mRNA靶标上,从而使Argonaute接触到它的猎物。

 

Argonaute2并不是唯一一种人类Argonaute蛋白,不过似乎却只有它能够直接破坏靶向RNA。“如果导向性RNA与靶RNA完全互补,Argonaute2将会切断mRNA,诱使这些片段降解,遗传信息丢失,”文章的主要作者、MacRae实验室研究生Nicole Schirle说。

 

瞄准致病基因或真实细胞自身过度活跃的导向性RNA,RNA沉默有可能成为一种强有力的治疗武器。从理论上讲,只需要注入靶向特异性导向性RNA,它们就会与细胞内的Argonaute蛋白连接到一起寻找和摧毁靶向RNAs。科学家们用相对容易靶向的细胞,例如眼睛中的细胞,已成功地做到了这一点。但是他们也发现很难开发出能够从血流进入不同组织,并仍能发挥功能的导向性RNAs。

 

“你必须要修改导向性RNA,以某种方式让它通过血液进入到细胞中,但是一旦你开始修改它,你就爱会破坏它与Argonaute的互作,”MacRae说。了解Argonaute的确切结构可使研究人员清除这一障碍,设计出更好的导向性RNA。

 

多点操控

 

过去的结构研究主要集中在来自细菌和其他低等生物体的Argonaute蛋白,它们与人类的相应蛋白有一些关键性的差异。Schirle构建出了相对较大和复杂的人类Argonaute2,并操作它形成了可供X射线晶体学分析的晶体——这是结构生物学在过去10年一直想达到的一项卓越的成果。“这是优秀和勤奋的结晶,”MacRae说。

 

研究小组分析了Argonaute2的结构发现它具有与细菌Argonaute蛋白相同的功能组件,除了排列略有不同。此外,Argonaute2的关键组件还有一些在细菌蛋白中未看到的额外的环(loops)和其他结构,也许在结合RNA中发挥了作用。最后,Argonaute2似乎是另一个辅因子蛋白的结合位点。这种辅因子蛋白被认为可对靶mRNA造成其他的破坏性作用。

 

“基本上,这一Argonaute比它的细菌‘表亲’更为复杂,它有更多的特殊部分和性能,为我们提供了多个可供操作的点。随着这一结构的解开,我们不再需要利用原核生物结构来猜测人类Argonaute的样子,”MacRae说。

 

MacRae、Schirle和其他实验室的同事现在正在分析Argonaute2子结构的功能,以及寻找设计更好的治疗性导向性RNAs的道路。

 

“现在利用这些结构数据,我们可以知道什么样的合成导向性RNA可对Argonaute起作用,什么样的不可以。我们甚至有可能制造出比天然RNAs更好的导向性RNAs,”MacRae说。

 

原文摘要:

 

The Crystal Structure of Human Argonaute2

 

Argonaute proteins form the functional core of the RNA-induced silencing complexes (RISCs) that mediate RNA silencing in eukaryotes. The 2.3-angstrom-resolution crystal structure of human Argonaute2 (Ago2) reveals a bi-lobed molecule with a central cleft for binding guide and target RNAs. Nucleotides 2 to 6 of a heterogeneous mixture of guide RNAs are positioned in an A-form conformation for base pairing with mRNA targets. Between nucleotides 6 and 7 there is a kink, which may function in miRNA target recognition or release of sliced RNA products. Tandem tryptophan binding pockets in the PIWI domain define a likely interaction surface for recruitment of GW182 or other tryptophan-rich cofactors. These results will enable structure-based approaches for harnessing the untapped therapeutic potential of RNA silencing in humans.