西湖大学生命科学学院施一公团队在《分子细胞》(Molecular Cell) 在线发表了题为“Structural basis of pre-tRNA intron removal by human tRNA splicing endonuclease”的最新研究论文，报道了pre-tRNA结合人源tRNA剪接内切酶 (tRNA splicing endonuclease, TSEN) 复合物处于“预催化”和“催化后”两种状态的高分辨率结构，结合体外生化，揭示了TSEN复合物识别和剪切pre-tRNA内含子的分子机理。
论文截图：
论文链接：
https://www.cell.com/molecular-cell/fulltext/S1097-2765(23)00205-8
tRNA是生物遗传信息传递“中心法则”的重要参与者[1]。作为蛋白质翻译过程的解码器，tRNA负责将mRNA中的遗传信息精确地对应到蛋白质序列中。在tRNA合成过程中，前体tRNA (precursor tRNA, pre-tRNA) 需要经过一系列转录后加工和修饰，才能生成成熟的tRNA。其中一个重要的过程是“tRNA剪接”[2]。在所有的生物中，均有一部分pre-tRNA存在内含子。这些内含子序列必须经过tRNA剪接被精确地去除[3]。
在真核生物中，tRNA剪接分为“剪”和“接”两个过程：前者负责将pre-tRNA中的内含子去除，由TSEN复合物执行；后者负责将切开的两个外显子连接，由 tRNA 连接酶复合物介导[4] (图1) 。这两个过程的精确进行对 tRNA 的正确折叠和稳定性，以及对蛋白质合成的效率和精度都至关重要。其功能异常会导致部分密码子无法解码，从而引起蛋白质合成紊乱，并最终引发包括癌症、神经系统疾病和发育缺陷在内的多种人类疾病[5]。由于缺乏关键的结构信息，长期以来人们对pre-tRNA剪接机理的理解较为滞后。其中一个关键的科学问题是TSEN复合物如何准确识别在序列上并不保守的pre-tRNA，并在相应的剪接位点完成内含子的剪切？
图1 tRNA剪接过程示意图
研究人员首先纯化出性质均一的人源TSEN/CLP1复合物，然后建立体外剪切反应，用于组装TSEN/CLP1/pre-tRNA复合物。通过在TSEN催化亚基的活性位点引入突变的方法，成功捕获了该复合物处于“预催化”和“催化后”的两种状态，并利用冷冻电镜技术解析了相应的结构 (图2) 。两种状态的TSEN/CLP1/pre-tRNA复合物的整体结构十分相似，但在“催化后”状态中，pre-tRNA的剪接位点已经完成了剪切反应。
图2 TSEN/pre-tRNA复合物预催化与催化后状态的电镜结构
通过结构分析，研究人员发现TSEN复合物的四个亚基组装形成了一个连续的表面凹槽，非常适合容纳L形的pre-tRNA底物。在“预催化”状态中，pre-tRNA的成熟结构域和反密码子茎被TSEN34、TSEN54和TSEN2识别。这些相互作用将3’剪接位点 (3’-splice site, 3’SS) 导向TSEN34的催化中心，并且pre-tRNA在3’SS附近的磷酸骨架发生约180度的翻转，形成一个凸起 (3’SS bulge) ，使得3’SS更加靠近TSEN34的催化中心。5’剪接位点 (5’-splice site, 5’SS) 位于反密码子 (anticodon) 下游的一个核苷酸，反密码子与内含子的部分序列通过碱基配对，形成A-I螺旋 (Anticodon-intron helix) 。一旦成熟结构域和反密码子茎被TSEN识别，在A-I螺旋的引导下，5’SS也会随之定向到TSEN2的催化中心。大部分内含子序列不参与pre-tRNA与TSEN的相互作用，解释了为什么内含子长度、序列各不相同的pre-tRNA可以被TSEN结合和剪切。
总的来说，这些结构上的发现以及基于结构的生化分析，共同揭示了TSEN复合物识别、剪切pre-tRNA的分子机制。这也是施一公团队在mRNA剪接之外，探究另一类特殊内含子的剪接机理的一项重要工作。
西湖大学生命科学学院施一公教授为本文的通讯作者，原西湖大学助理研究员张晓峰（现为中国科学技术大学研究员）为本文的共同通讯作者。张晓峰、西湖大学博士生杨丰华、副研究员占谢超和博士生卞彤为本文的共同第一作者。西湖大学博士生邢芷涵、卢怡辰参与了本研究的部分工作。本研究得到了西湖大学冷冻电镜平台、高性能计算中心、晶体学平台、质谱与代谢组学平台的大力支持。本研究获得了国家自然科学基金委、西湖教育基金会、西湖大学、西湖实验室、中国博士后科学基金、博士后创新人才计划的相关经费支持。
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[5] SEKULOVSKI S, DEVANT P, PANIZZA S, et al. Assembly defects of human tRNA splicing endonuclease contribute to impaired pre-tRNA processing in pontocerebellar hypoplasia [J]. Nat Commun, 2021, 12(1): 5610.