tRNAProL中m1G37修饰通过抑制四碱基配对阻止+1移码的分子机制

本研究揭示了tRNAProL的N1-甲基鸟苷（m1G37）修饰通过调控核糖体上tRNA构象能量，阻止其与mRNA形成四碱基配对从而抑制+1移码的机制。研究人员结合单分子荧光共振能量转移（smFRET）和冷冻电镜技术，首次观察到未修饰tRNAProL在滑动密码子（slippery codon）上形成四至五个碱基配对的移码中间态，为理解翻译准确性维持提供了结构基础。

　　

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在蛋白质合成过程中，核糖体必须严格维持mRNA的阅读框架以确保翻译准确性。然而，某些特殊序列如富含重复核苷酸的"滑动密码子"容易导致核糖体发生移码错误，产生功能异常的毒性蛋白。tRNA^Pro家族成员尤其容易在缺乏N¹-甲基鸟苷（m¹G37）修饰时诱发+1移码，但其分子机制尚不明确。

美国埃默里大学（Emory University）的研究团队通过整合smFRET和冷冻电镜技术，系统研究了tRNA^ProL（GGG反密码子）在核糖体上的动态行为。研究发现m¹G37修饰能显著改变tRNA的构象能量景观：在滑动密码子CCC-C背景下，未修饰tRNA^ProL更易形成P/E构象（肽基tRNA结合位点/出口位点杂合态），而修饰后的tRNA则稳定在经典P/P构象。冷冻电镜结构首次捕捉到未修饰tRNA^ProL与mRNA形成四对Watson-Crick碱基（G34-C+7、G35-C+6、G36-C+5、G37-C+4）及额外U38-G+3氢键的移码中间态，验证了存在40余年的"四碱基配对"假说。

关键技术方法包括：（1）构建携带不同修饰状态tRNA^ProL的翻译复合体；（2）利用双标记（Cy3-bL9/Cy5-uL1）核糖体进行smFRET实时监测构象转换；（3）通过冷冻电镜解析6类复合体结构（分辨率2.9-4.0?）；（4）使用非水解型赖氨酰-tRNA模拟肽基化状态。

主要研究发现：

1. m¹G37稳定P位点tRNA构象：smFRET显示修饰使P/P构象比例提高2.2倍，主要源于P/E→P/P转换速率（k_GS2→GS1）提升2.2倍。

2. 未修饰tRNA形成扩展配对：冷冻电镜捕获未修饰tRNA^ProL在P/E态与mRNA形成四碱基配对，其中G37-C+4配对在天然tRNA中被甲基空间阻碍。

3. A位点tRNA强化移码：当+1框架的tRNA^Val进入A位点时，稳定了P位点tRNA的四碱基配对网络。

研究结论表明，m¹G37通过两种机制抑制移码：（1）立体阻碍G37与C+4的异常配对；（2）改变tRNA构象能量使其倾向维持标准三联体配对。该发现不仅阐明了细菌中tRNA修饰调控翻译保真性的结构基础，也为设计靶向移码的抗菌策略和基因治疗中的tRNA工程提供了理论依据。论文以封面文章形式发表于《Nature Communications》。