叶克穷博士非编码RNA研究连发两篇文章

　　

生物通报道，北京生命科学研究所叶克穷实验室是一个主要研究蛋白质和核酸核糖核酸之间的互相作用的研究团队，近期，研究团队又在PNAS上发表了最新的研究成果，Structural organization of box C/D RNA-guided RNA methyltransferase。

 

这是叶克穷博士研究非编码RNA的又一成果文章，今年5月，他曾在《Molecular Cell》上发表文章，提出的三维结构模型揭示了一种非编码RNA如何帮助蛋白质寻找特异底物分子。

 

新发表的PNAS文章解析了C/D RNA蛋白质复合物的晶体结构，促进了对该复合物的组合方式和其修饰RNA甲基化机理的了解。

 

该文章的第一作者与通讯作者是我所叶克穷博士，论文的其他作者还包括我所贾茹、林金钟、巨名华、彭进、徐安毕和我所与中国协和医科大学联合培养的博士生张丽漫，该研究由科技部和北京市政府资助，在北京生命科学研究所完成。

 

RNA分子不仅仅作为编码蛋白质的模板，许多不编码蛋白质的RNA在生命活动也有重要的功能。C/D RNA就是一类广泛存在于古细菌和真核生物中的非编码RNA，他们因为含有共同的保守序列模块C和D而得名。

C/D RNA主要功能是指导RNA底物——如rRNA、snRNA和tRNA——发生特定位点上核糖的甲基化。C/D RNA含有一段向导序列，这段序列通过和修饰位点两边的碱基序列互补配对而实现对底物的特异性选择。在古细菌中，C/D RNA与RNA结合蛋白L7Ae、骨架蛋白Nop5和甲基化酶fibrillarin三个蛋白质亚基组成RNA-蛋白质复合体，该复合物能对底物进行特异位点的甲基化修饰。

 

虽然科学家对该复合体的组装和功能研究已经持续了十多年时间，但目前还不了解复合物的整体结构。该研究通过结构生物学手段，使用X射线衍射技术解析了一个4埃分辨率的C/D RNP复合物晶体结构。

 

该结构包含了全部三个蛋白亚基和半个C/D RNA，也是目前获得的最完整的C/D RNP复合物结构。该结构加深了对复合物组装方式的认识，发现C/D RNA是通过和L7Ae和Nop5的碳端结构域共同结合装配到复合物，进一步证实催化亚基fibrillarin和Nop5氮端结构域结合。作者发现不同结构中催化亚基占据了不同的位置，显示了该复合物结构内部的活动性，并推测催化亚基的运动可能是其结合底物过程中的必要步骤。另外结构提示Nop5碳端结构域上的一个结构突起可能影响C/D RNA的特异装配，以及C/D RNA和底物的结合。新的结构模型促进了对C/D RNP的组合方式和工作机理更深入的理解。

（生物通 小茜）

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Structural organization of box C/D RNA-guided RNA methyltransferase

 

Keqiong Yea,1, Ru Jiaa, Jinzhong Lina, Minghua Jua, Jin Penga, Anbi Xua and Liman Zhanga,b

aNational Institute of Biological Sciences, Beijing 102206, China; and

bGraduate Program at Chinese Academy of Medical Sciences and Peking Union Medical College, Beijing 100730, China

【Abstract】

Box C/D guide RNAs are abundant noncoding RNAs that primarily function to direct the 2′-O-methylation of specific nucleotides by base-pairing with substrate RNAs. In archaea, a bipartite C/D RNA assembles with L7Ae, Nop5, and the methyltransferase fibrillarin into a modification enzyme with unique substrate specificity. Here, we determined the crystal structure of an archaeal C/D RNA–protein complex (RNP) composed of all 3 core proteins and an engineered half-guide RNA at 4 Å resolution, as well as 2 protein substructures at higher resolution. The RNP structure reveals that the C-terminal domains of Nop5 in the dimeric complex provide symmetric anchoring sites for 2 L7Ae-associated kink-turn motifs of the C/D RNA. A prominent protrusion in Nop5 seems to be important for guide RNA organization and function and for discriminating the structurally related U4 snRNA. Multiple conformations of the N-terminal domain of Nop5 and its associated fibrillarin in different structures indicate the inherent flexibility of the catalytic module, suggesting that a swinging motion of the catalytic module is part of the enzyme mechanism. We also built a model of a native C/D RNP with substrate and fibrillarin in an active conformation. Our results provide insight into the overall organization and mechanism of action of C/D RNA–guided RNA methyltransferases.

 

叶克穷

NIBS研究员

研究概述

我们实验室主要研究蛋白质和核糖核酸之间的相互作用。核糖核酸除了在基因表达中作为信使,还行使许多其他的功能。在各种生物体中已经发现了很多非编码的核糖核酸，它们不翻译成蛋白质，却在分子结构，反应催化，基因调节中发挥重要作用。这些非编码核糖核酸通常和蛋白质形成复合物行使功能。实验室主要的研究领域包括核酸干扰，这是由长度约为21个核甘酸的微小核糖核酸介导的基因调控过程。我们实验室将研究这些微小核酸生物发生机理，工作原理和调控途径。我们还研究由核糖核酸引导的核糖核酸修饰系统，如催化核糖甲基化的C/D RNP和假尿嘧啶化的H/ACA RNP。实验室主要使用X光晶体学，核磁共振等结构方法以及生化分析作为研究手段。

 

代表文章

Publications:

 

1. Lin J., Zhou T., *Ye K. and *Wang J. 2007 Crystal structure of human mitoNEET reveals distinct groups of iron-sulfur proteins. Proc Natl Acad Sci USA 104:14640-14645 (*corresponding authors)

 2. Ye, K. 2007. H/ACA RNAs, proteins and complexes. 2007 Curr. Opin. Struct. Biol. 17:287-292 (review)

 

3. Patel, D.J., Ma, J.-B., Yuan, Y.-R.,  Ye, K., Pei, Y., Kuryavyi, V.,  Malinina, L., Meister, G. and  Tuschl, T. 2006. Structural Biology of RNA Silencing and Its Functional Implications. Cold Spring Harb Symp. Quant Biol. 71:81-93.

 4. Li, L. and Ye, K. 2006. Crystal structure of an H/ACA box ribonucleoprotein particle. Nature 443: 302-307.

 5. Ye, K. and Patel, D.J. 2005. RNA silencing suppressor p21 of Beet Yellows Virus forms an RNA-binding octameric ring structure. Structure 13:1375-1384.

 6. *Ma, J., *Ye, K. and Patel, D.J. 2004. Structural mechanism of overhang-specific small interfering RNA recognition of the PAZ domain. Nature 429:318-322. (*equal contribution)

 7. Ye, K., Malinina, L. and Patel, D.J. 2003. Recognition of small interfering RNA by a viral suppressor of RNA silencing. Nature 426:874-878.

 8. Ye, K., Serganov, A., Hu, W., Garber, M. and Patel, D.J. 2002. Ribosome-associated factor Y adopts a fold resembling a double-stranded RNA binding domain scaffold. Eur. J. Biochem. 269:5182-5191.

 9. Yao, Y., Qian, C., Ye, K., Wang, J., Bai, Z. and Tang, W. 2002. Solution structure of cyanoferricytochrome c: ligand-controlled conformational flexibility and electronic structure of the heme moiety. J. Biol. Inorg. Chem. 7:539-547.

 10. Qian, C., Yao, Y., Ye, K., Wang, J., Tang, W., Wang, Y., Wang, W., Lu, J., Xie Y. and Huang, Z. 2001. Effects of charged amino-acid mutation on the solution structure of cytochrome b(5) and binding between cytochrome b(5) and cytochrome c. Protein Sci. 10:2451-2459.

 11. Ye, K. and Wang, J. 2001. Self-association reaction of denatured staphylococcal nuclease fragments characterized by heteronuclear NMR. J. Mol. Biol. 307:309-322.

 12. Ye, K., Jing, G. and Wang, J. 2000. Interactions between subdomains in the partially folded state of staphylococcal nuclease. Biochim. Biophys. Acta.  1479:123-134.