結構生物化學/細胞器/核糖體/成熟

簡介

核糖體存在於真核細胞和原核細胞中。然而，真核細胞和原核細胞的核糖體在功能和特性方面存在差異。在真核細胞中，核糖體在細胞核中組裝，然後轉移到細胞質中完成成熟。成熟包括反式作用關閉因子、轉運因子、核糖體中其餘蛋白質的整合以及 rRNA 步進過程的最後一步。最近的研究，例如對大型核糖體亞基的研究，證實 60S 亞基以非活性狀態從細胞核轉運。在亞基到達細胞質後，它會導致一系列事件，使其具有過渡能力。

生物合成

在細胞中，核糖體負責從基因中解碼蛋白質資訊的最後一步。核糖體由亞基組成，亞基很複雜，由 RNA 和蛋白質組成。兩個亞基各司其職。小 40S 亞基用於解碼，大 60S 亞基負責多肽合成。使用原核核糖體的結構分析提供了對核糖體功能機制的詳細見解，然而我們對核糖體在體內組裝的瞭解仍然不夠深入，而且仍然處於初級階段。生物合成從前 RNA 的轉錄開始，前 RNA 經歷共轉錄摺疊、修飾和與 r 蛋白組裝形成兩個亞基。在細菌中，亞基的組裝需要一些反式作用因子。然而，在真核細胞中，這是一個複雜的過程，需要三種 RNA 聚合酶和超過 200 種反式作用因子。因此，有助於亞基的成熟和細胞間轉運。真核細胞中的核糖體在 rRNA 轉錄的核仁中組裝。釋放的核糖體前體雖然看起來是預組裝的，但需要在核質和細胞質中進行成熟步驟。在 1970 年代，Planta 和 Warner 的工作導致了第一個核糖體前體 90S 粒子的鑑定。90S 被加工成更小的 66S 和 43S 粒子。這些是成熟 60S 和 40S 亞基的前體。這些粒子包含前 rRNA、r 蛋白和不同數量的反式作用因子。在 1990 年代初期，在芽殖酵母中應用遺傳方法，使得能夠鑑定出各種反式作用因子，從而對 rRNA 過程中涉及的高度有序步驟有了更清晰的理解。即使取得了這些進步，核糖體前體粒子的組成和構成仍然是一個謎，直到最近十年才得以解開。串聯親和純化 (TAP) 與質譜聯用使我們能夠分離和分析芽殖酵母中成熟的 60S 前體和 40S 前體的組成。這些分析有助於對 60S 和 40S 途徑中核糖體前體粒子的排序，使我們能夠描繪高度複雜的組裝過程。

在酵母中，核仁中的 RNA 聚合酶 I 幫助轉錄 35S。轉錄的 rRNA 被甲基化、假尿嘧啶化並載入有 r 蛋白和反式作用因子，使其形成 90S。90S 粒子含有 r 蛋白和反式作用因子，這些因子對於 40S 生物合成途徑很重要。rRNA 在 A2 位點的裂解因此釋放了 40S 前體粒子，其成熟和生物合成獨立於 60S。一旦 40S 前體被釋放，剩餘的前 rRNA 與大亞基 r 蛋白和生物合成因子組裝形成 60S 前體粒子。不同的是，40S 前體粒子在從核質轉移的過程中經歷了一些成分變化。與 60S 前體相比，40S 前體被輸出到細胞質中。相反，60S 前體粒子在整個生物合成過程中與大約 100 個反式作用因子相關聯，並且在從核質移動到核孔複合體的過程中也改變了組成。

在生物合成中，細胞核和細胞質參與了不同的階段。在這些階段，反式作用因子從核糖體前體粒子中釋放出來，並被回收用於新的生物合成迴圈。這些事件是由與成熟的核糖體前體粒子相關的消耗能量的酶引起的。這些酶的位點及其在核糖體成熟中的確切功能仍然未知。該領域的研究表明，兩種大型 AAA-ATP 酶 Rix7 和 Rea1 參與了 60S 前體亞基的成熟。Rix7 似乎在核仁過渡中從亞基中剝離 Nsa1，而 Rea1 被認為透過去除 Rsa4 來驅動 60S 前體粒子具有輸出能力。因此，認為 AAA-ATP 酶在核糖體前體粒子從細胞核中移除之前，直接促成了其複雜性的順序減少。

核仁前核糖體亞基的核輸出

一旦核仁前核糖體亞基在細胞核中產生，它們就會透過 NPC（核孔複合體）轉運到細胞質中。NPC 是細胞中最大的蛋白質複合體，負責細胞核和細胞質之間成分的受保護交換。它還有助於防止不應跨過核膜的物質的轉運。 。據發現，對於 r 亞基的核輸出，需要獨特的核孔蛋白來實現兩個亞基的輸出。核孔蛋白只是 NPC 的蛋白質。此外，研究人員發現 Ran GTP-GDP 迴圈是必需的。40S 前體和 60S 前體粒子彼此獨立輸出，但是，它們都需要具有通用核輸出因子 Xpo1 或 Crm1，這些因子可以直接識別核輸出序列。 核輸出序列是氨基酸序列，用於標記蛋白質從細胞核輸出到細胞質。Nmd3 是 60S 前體粒子中唯一已知的 Crm1 銜接蛋白。然而，在 40S 前體輸出中，至少有三個含有 NES 的反式作用因子充當 Crm1 銜接蛋白。這些反式作用因子包括 Ltv1（在人類中）、DIM2 和 RIO2。 一個有趣的事實是，40S 輸出銜接蛋白存在冗餘，因為 Ltv1 的性質幾乎是非必需的。為了實現核糖體前體亞基的有效輸出，需要多個受體。例如，在芽殖酵母中，60S 前體粒子利用其他因子來幫助核孔複合體進行其輸出活動。

前核糖體亞基在細胞質水平上的成熟

在生物合成的早期階段，許多與核糖體前體粒子相關的反式作用因子從細胞核中釋放出來，並可以回收回細胞核。這個過程發生在核輸出之前。有一些因子仍然與核糖體前體亞基相關聯，因為它們進入細胞質。我們將獨立觀察 60S 前體亞基和 50S 前體亞基的成熟。

前60S亞基的成熟

60S 前體亞基進入細胞質，並帶有必須由細胞質中獨特的因子釋放的非核糖體因子的隨行人員。應該強調的是，幾個核糖體蛋白質對於增加亞基的功能是必需的。60S 前體亞基成熟的步驟如下所示。

1. 60S 前體粒子退出細胞核並進入細胞質
2. 在細胞質中，一個第三個必需的 AAA-ATP 酶被引入到 60S 前體粒子中

前核糖體亞基的成熟

在早期生物合成中與核糖體前體粒子相關的反式作用因子在核輸出之前被釋放並回收利用到核中，但一些因子在進入細胞質時仍然與這些粒子相關聯。透過釋放和回收這些因子以及組裝其餘的 r 蛋白和 RNA 的最終加工構成了核糖體生物合成途徑中的“細胞質成熟步驟”。這些步驟不僅對於亞基的完全成熟至關重要，而且因為如果細胞核未能回收利用一個因子，會導致該因子從核仁中耗盡，從而導致前 rRNA 加工延遲、組裝缺陷和核輸出受損。

細胞質成熟的“途徑”

ATP酶和GTP酶彼此之間並不依賴，因此由ATP酶和GTP酶驅動的事件可以無特定順序地發生。然而，一些證據表明這些事件的耦合可能會發生。Drg1是一種AAA-ATP酶，它阻止Rlp24、Nog1和Arx1的迴圈，並一定程度上阻止Tif6的迴圈。有了這些資訊，就可以開始對事件進行排序。首先，Drg1釋放Rlp24，而Rlp24載入到亞基中會帶來Rei1。當Rei1與Jjj1和Ssa1/Ssa2一起工作時，Arx1就會被釋放。Arx1存在於亞基中最終會阻礙Tif6的釋放。從Drg1釋放Rlp24開始，一系列事件發生，最終導致Tif6的釋放。

結論

由於遺傳密碼的翻譯必須正確進行，因此可以合理地推測真核細胞進化出質量控制機制來監測核糖體生物合成。一些研究證明，40S和60S生物合成途徑中的胞質成熟步驟是透過亞基的啟用來完成的。當抑制因子被去除並新增功能性時，就會實現這一點。這些胞質成熟步驟的控制保證了只有功能性核糖體亞基的轉移。