真核生物におけるミトリボソーム小サブユニット集合の原理

Nature volume 614、pages 175–181 (2023)この記事を引用

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メトリクスの詳細

ミトコンドリア リボソーム (ミトリボソーム) は、ミトコンドリア ゲノム内にコードされているタンパク質を合成し、組み立てられて酸化的リン酸化複合体を形成します。 したがって、ミトリボソーム生合成は ATP 産生と細胞代謝に不可欠です1。 今回我々は、クライオ電子顕微鏡を使用して、天然酵母およびヒトミトリボソーム小サブユニット集合中間体の9つの構造を決定し、解読中心形成の初期段階を制御するためにGTPアーゼがどのように使用されるか、最初のrRNAフォールディングおよびプロセシングイベントがどのように媒介されるかについての機構的基礎を解明した。そして、ミトリボソームタンパク質が組み立て中にどのように積極的な役割を果たすのか。 さらに、分岐したミトリボソーム構造を持つ 2 種のこの一連の中間体は、真核生物のミトリボソーム小サブユニットの成熟を支配する保存された原理と種特異的な適応の両方を明らかにします。 機能的サブユニットの生成に必要な集合因子、ミトリボソームタンパク質、rRNA の間の動的な相互作用を明らかにすることで、我々の構造解析は、大きなリボ核タンパク質集合体において分子の複雑さと多様性がどのように進化し得るかを示す概略を提供します。

真核細胞のミトコンドリアに存在するミトリボソームは、主に酸化的リン酸化複合体の成分をコードするミトコンドリアmRNAを翻訳します。 この分子機械は、ミトコンドリアゲノムにコードされているrRNA（ヒトでは12Sと16S、酵母では15Sと21S）で構成されており、ミトコンドリアマトリックス内で主に核にコードされているミトコンドリアリボソームタンパク質（mito rタンパク質）と会合して、ミトリボソーム（55S）を形成します。ヒトでは 74S、酵母では 74S)。 ミトリボソームの生成には、rRNA のフォールディングをシャペロンし、ミトリボソームの取り込みを誘導するトランス作用性アセンブリ因子が必要です 2、3、4、5、6。 細胞代謝に対するミトリボソームの中心的な役割は、mito r タンパク質またはアセンブリ因子のいずれかの変異によって引き起こされるいくつかのヒト疾患によって強調されています 6、7、8、9、10。 したがって、ミトリボソーム構築の原理を構造的に理解することは、これらのプロセスとそれに関連するヒトの疾患の分子基盤を定義するために重要です。

ミトコンドリア大サブユニットの集合は、キネトプラスチド 7,8 およびヒト細胞 9,10,11,12,13,14 で広く研究されているが、ミトコンドリア小サブユニット (mtSSU) 集合の構造的理解は、これまでのところブルセイ トリパノソーマ 15,16 に限定されている。進化の分岐と哺乳類のミトリボソーム集合の後期段階の例17。 私たちは現在、出芽酵母やホモ・サピエンスなどの主要な生物における mtSSU 集合の初期段階に関する基本的な洞察を欠いています。

さまざまな種のリボソーム間で構造が大きく異なる 2、3、4、5、6、18、19、20、21 にもかかわらず、すべての SSU アセンブリシステムは、機能的なサブユニットを生成するためにいくつかの一般的な rRNA フォールディングのハードルを克服する必要があります。 これらには、SSU の重要な機能モジュールである解読中心の形成が含まれます。これは、高い翻訳忠実度を示すサブユニットを生成するために、規制された方法で形成される必要があります。 さらに、rRNA の 5' 末端と 3' 末端が生成され、成熟粒子に組み込まれる必要があります。 同時に、機能的なリボソームプールを確保するには、SSU アセンブリ中間体と成熟した大きなリボソーム サブユニットとの時期尚早な結合を防止する必要があります。 細菌および真核生物のシステムでは、これらのハードルに対してさまざまな解決策が進化してきましたが 22,23、酵母とヒトの細胞がこれらの初期集合段階の制御をどのように達成するか、またこれらのシステムが構造的に多様な機能的なミトリボソーム SSU の形成を触媒するようにどのように進化したかについてはほとんど知られていません。 。 これに対処するために、我々は、クライオ電子顕微鏡 (cryo-EM) によって、ヒト細胞からの 6 つの天然集合中間体と酵母細胞からの 3 つの天然集合中間体の高解像度構造を解析し、mtSSU 集合のいくつかの基本原理を明らかにしました。 第一に、分子スイッチの段階的な活性は、機能的解読中心の形成の基礎を築く初期のrRNAフォールディングイベントを制御する。 第二に、rRNA 3' 末端の組み込みにより、機能的な rRNA コアの圧縮が促進され、酵母とヒトのシステムはそれぞれ、そうするための異なるソリューションを進化させてきました。 第三に、5' pre-rRNA の認識とプロセシングは酵母 mtSSU 構築経路の独特の特徴であり、異なる構築因子によって実行されます。 第 4 に、保存された集合因子が頭部ドメインの成熟を調整し、mRNA とミトコンドリア大サブユニットの早期結合を防ぎます。 これらの原理を総合すると、mtSSU 集合経路の進化と、分子の複雑さと多様性の両方を生み出すために種特異的な適応がどのように使用されるかが明らかになります。