人源蛋白质合成中氨基酰-tRNA校对过程的动态旋转机制解析

本研究针对真核生物蛋白质合成过程中氨基酰-tRNA（aa-tRNA）选择机制的独特特征展开。研究人员通过1856次结构模拟实验，首次揭示人类核糖体A位点接纳aa-tRNA时需要30°动态旋转的关键机制。该发现阐明了亚基滚动（subunit rolling）导致的容纳通道空间限制是校对步骤速率降低十倍的结构基础，同时鉴定出延伸因子eEF1A通过保守碱性氨基酸与aa-tRNA的相互作用模式。研究成果发表于《Nature Communications》，为理解真核生物翻译保真度调控提供了新范式。

在生命活动的核心过程——蛋白质合成中，核糖体如同精密分子机器，需要准确解码mRNA信息并将对应氨基酸装配成多肽链。这一过程的保真度至关重要，细菌和真核生物分别能达到10^-4和10^-5的错误率。然而长期以来，人们对真核生物特别是人类aa-tRNA选择机制的理解远不如细菌深入。近期研究发现人类aa-tRNA校对步骤比细菌慢十倍，且伴随独特的亚基滚动现象，但具体结构动态机制仍是未解之谜。

为揭示这一科学问题，Diyva Sapkota、Karissa Y. Sanbonmatsu和Dylan Girodat团队采用结构模拟技术，对aa-tRNA进入人源核糖体A位点的过程进行系统研究。通过建立两种势能模型（Potential 1和Potential 2），分别捕捉可逆波动事件和早期/晚期接纳事件，共模拟1856次aa-tRNA接纳过程。研究结合距离测量（R_elbow和R_CCA）和角度分析（θ_tRNA），并引入亚基滚动距离（R_rolling）等创新性参数。

关键实验技术

研究主要采用结构分子动力学模拟技术，基于人源核糖体（PDB id: 6YOG）和兔源eEF1A复合物（PDB ID: 5LZS）构建初始模型。通过SWISS-MODEL建立人源eEF1A同源模型，使用GROMACS 2021进行显式溶剂平衡。模拟系统包含20 mM Mg²⁺和200 mM K⁺离子环境，采用AMBER 99力场。通过定义A/A态原生接触（4.5 ?内原子对）和非原生接触，设置不同权重（Potential 1: 0.13；Potential 2: 0.4）模拟可逆波动与单向接纳过程。

主要研究结果

人类aa-tRNA接纳需要肘部结构域和3'-CCA端的协同运动

通过测量aa-tRNA与肽基-tRNA间U60-U8距离（R_elbow）和A76间距（R_CCA），发现人类aa-tRNA采用"3'-CCA端优先"的独特路径。与细菌相比，人类EA-1中间态（R_elbow=42?，R_CCA=60?）显示出更大空间位移，自由能垒高达11-13.4 k_BT（细菌为9.3-10.4 k_BT）。

aa-tRNA在接纳过程中发生特征性30°旋转

通过测量tRNA平面法向量角度变化（θ_tRNA），首次发现人类aa-tRNA需绕反密码子茎旋转约30°才能通过接纳通道。自由能景观显示该旋转在R_elbow=38?时达到能量最低点（θ_tRNA≈0°），此时tRNA与28S rRNA的H89发生关键相互作用。

亚基滚动导致接纳通道空间压缩

测量h14与SRL间距（R_rolling）显示亚基滚动（33.4?→27.5?）先于aa-tRNA接纳发生。溶剂可及表面积（SASA）分析显示人类tRNA接触面积（13079±121?²）显著大于细菌（14390±206?²），tRNA压缩程度增加3.7?。

eEF1A通过保守碱性氨基酸与aa-tRNA相互作用

发现eEF1A结构域III（DIII）的K378、K395等保守碱性氨基酸（保守度>94%）与aa-tRNA肘部磷酸骨架相互作用。开关I区R69仅能通过3'-CCA端小沟（不同于细菌的双路径），限制了tRNA初始运动轨迹。

研究结论与意义

该研究建立了人类aa-tRNA选择的结构动力学模型，阐明亚基滚动通过增加H89空间位阻，迫使aa-tRNA旋转调整以通过狭窄接纳通道，这合理解释了校对步骤速率降低的现象。发现eEF1A DIII与tRNA的持续性相互作用为真核生物特有调控机制，其保守性提示该机制在进化中的重要性。

研究成果不仅完善了蛋白质合成理论体系，更对相关疾病治疗具有指导价值：一方面为氨基糖苷类抗生素的物种特异性提供结构解释；另一方面为靶向翻译过程的抗癌（如plitidepsin）、抗病毒药物设计提供新思路。研究揭示的tRNA几何排列原则，为理解神经退行性疾病中蛋白质错误折叠机制开辟了新视角。