tRNA Ser3双联体解码机制揭示核糖体解码中心的可塑性

本研究通过冷冻电镜技术解析了E. coli核糖体与tRNA Ser3GCU的复合物结构，发现其通过A1493-U36 Hoogsteen碱基配对实现非经典双联体解码，阐明了-1移码的分子机制。该成果发表于《Nature Communications》，为理解翻译保真度的调控提供了新视角。

　　

在生命体精确的蛋白质合成过程中，核糖体如何维持遗传密码的三联体阅读框架一直是核心科学问题。1979年Atkins团队首次报道了E. coli tRNA Ser³GCU能在GCA丙氨酸密码子上诱发-1移码现象，并提出双联体解码假说——即tRNA可能仅识别密码子前两个碱基。然而四十余年来，这种非常规解码如何被核糖体容纳的机制始终成谜。

来自瑞典乌普萨拉大学的研究团队通过冷冻电镜技术，首次捕获了tRNA Ser³分别结合同源AGC密码子和非经典GCA密码子的核糖体高分辨率结构。研究发现当tRNA Ser³结合GCA密码子时，16S rRNA的监测碱基A1493会模拟密码子第一碱基，与反密码子U36形成Hoogsteen碱基对，同时将mRNA前两个碱基推入反密码子C35-G34的配对位置。这种独特的相互作用模式证实了双联体解码假说，揭示了核糖体解码中心惊人的结构可塑性。

研究采用三项关键技术：1）硝化纤维素滤膜结合实验定量ASL（反密码子茎环）与核糖体亲和力；2）体外转录制备tRNA Ser³和对照tRNA；3）单颗粒冷冻电镜解析2.49-2.61 ?分辨率结构。实验使用E. coli MRE600菌株提取70S核糖体，通过蔗糖密度梯度离心纯化。

结合tRNA Ser³至A位GCA丙氨酸密码子
通过滤膜结合实验发现，ASL Ser³GCU与GCA密码子的结合亲和力（K_d 3.5 μM）接近经典密码子-反密码子相互作用，而U36C突变体亲和力骤降50倍，证实U36的关键作用。

tRNA Ser³的冷冻电镜结构
在2.61 ?分辨率结构中观察到：1）反密码子G34-C35与mRNA的G19-C20形成标准Watson-Crick配对；2）U36与A1493形成Hoogsteen碱基对；3）t⁶A37（N⁶-苏氨酰羧甲基腺苷）和16S rRNA的C1397共同稳定密码子-反密码子堆叠。

双联体解码涉及与A1493的Hoogsteen碱基对
结构比对显示A1493取代了密码子第一碱基的位置，其与U36的相互作用导致反密码子环在保守U33处展宽，削弱了U33与磷酸基团的经典相互作用，这解释了为何U33A突变仍允许双联体解码。

双联体解码核糖体的整体构象
与经典闭合构象不同，双联体解码时30S亚基呈开放构象，G530未参与稳定作用，这种亚稳态解释了该现象的低发生率。

这项研究最终证实：1）双联体解码通过A1493-U36 Hoogsteen配对实现；2）该机制需要反密码子含U36且前两对为G-C碱基对；3）核糖体通过解码中心构象变化允许非常规解码。该发现不仅解决了四十年前的学术争议，更揭示了核糖体在维持翻译保真度与允许调控性移码之间的精妙平衡，为理解病毒和细胞中程序性移码提供了结构基础。正如作者Maria Selmer指出，这种机制可能普遍存在于具有类似特征的tRNA（如tRNA Thr³GGU）中，但其在体内的精确调控仍有待探索。