氨酰-tRNA合成酶（ARS）的蛋白–蛋白相互作用：从多合成酶复合物到人类疾病与非经典功能

《Biomolecules》：The Aminoacyl-tRNA Synthetases and Their Protein–Protein Interactions

　　

每种氨酰-tRNA合成酶（aminoacyl-tRNA synthetase, ARS）的经典作用是以其对应氨基酸正确氨酰化其同源tRNA；生成的氨酰-tRNA驱动蛋白质翻译。然而，数十年研究，尤其在真核生物中，已阐明这些普遍存在酶的多种非翻译功能。许多经典和非经典ARS活性依赖于蛋白–蛋白相互作用，且已知某些突变在疾病状态下可破坏这些相互作用或促成新的相互作用。在古菌和细菌中已知的ARS–蛋白相互作用较少；这些相互作用主要集中于翻译过程中发生的联系，但也包括其他有趣的多聚复合物。本综述聚焦于来自全部三个生命域的物理ARS–蛋白相互作用。文中讨论了许多此类相互作用在已知情况下的功能影响。

1 引言
ARS催化氨基酸活化并与同源tRNA共价连接，形成氨酰-tRNA供核糖体翻译；其可分为I类、II类及不同亚类。该综述聚焦ARS与其他蛋白及ARS之间的物理相互作用，涵盖多合成酶复合物（multi-synthetase complex, MSC）、信号转导、编辑保真及疾病相关突变。
2 缩略语与方法学
文章统一了人类ARS命名，如细胞质AARS1、线粒体AARS2，并说明MSC、AIMP1-3等缩写。相互作用数据经手工整理，仅纳入经体外或体内验证、最好由两种以上方法确认的直接蛋白–蛋白相互作用；仅由RNA/DNA介导或仅功能推断者未纳入。
3 总体概述
真核ARS相互作用最多，覆盖细胞质、细胞核和线粒体；MARS1/2已知相互作用最多。疾病相关包括KARS1/2、EPRS1与HIV-1蛋白，EPRS1/RARS1/MARS1与SARS-CoV-2 RNA调控子，AARS1、GARS1、YARS1的CMT突变，以及ASyS、RA、SLE中的自身抗体识别。古菌和细菌相互作用较少，多与翻译相关，也有跨物种及非翻译复合物。
4 多合成酶复合物
4.1 哺乳动物MSC由DARS1、RARS1、EPRS1、QARS1、IARS1、LARS1、KARS1、MARS1及AIMP1-3组成，分子量约1.2 MDa，形成含两个亚复合物的二聚体结构；其功能涉及翻译促进及ARS非翻译活性的隔离调控。4.2 锥虫MSC含MARS1、PARS1、WARS1、QARS1、AARS1、DARS1和MCP1-3，可增强tRNA^Met氨酰化并执行去酰化校读。4.3 顶复门中，Toxoplasma gondii MSC含MARS1、QARS1、EARS1、YARS1和Tg-p43；Plasmodium berghei的tRIP分别与EARS1/MARS1或EARS1/QARS1形成M-MSC和Q-MSC，参与宿主tRNA导入。4.4 真菌中MARS1、EARS1与Arc1形成较小复合物，葡萄糖匮乏时解离并影响核、线粒体功能。4.5 古菌MSC如LeuRS/ProRS/LysRS2及ArgRS/SerRS复合物，与翻译和核糖体相关。4.6 细菌尚无MSC证据。
5 促进间接tRNA氨酰化的复合物
5.1 Asn-反式酰胺体由非判别性AspRS（ND-AspRS）与GatCAB组成，先将tRNA^Asn误酰化为Asp-tRNA^Asn，再转酰胺生成Asn-tRNA^Asn；不同细菌复合物在化学计量、GAD域和tRNA依赖方式上有差异，并可隔离误酰化tRNA、提高GatCAB热稳定性。5.2 Gln-反式酰胺体由ND-GluRS或GluRS2与GatCAB/GatDE组成，将Glu-tRNA^Gln转化为Gln-tRNA^Gln；古菌GatDE复合物较明确，细菌功能性复合物仍不确定。5.3 转硫体由SepRS、SepCysE和SepCysS组成，将Sep-tRNA^Cys转化为Cys-tRNA^Cys；SepCysE作为支架提高整体合成速率，复合物具明显柔性。
6 ARS在人类疾病中的相互作用
6.1 血管生成中，mini-YARS1通过ELR基序与IL-8受体CXCR1作用促血管生成；mini-WARS1与NRP1结合稳定VE-cadherin并抑制血管通透性，T2-WARS1与VE-cadherin结合干扰VEGFR2/β-catenin促血管信号；SARS1入核后与SIRT2协同抑制VEGF启动子并受ADPR调控。6.2 癌症中，EPRS1与SCYL2、PARP1等作用影响Wnt、PI3K/AKT及ADP-核糖化；FARSB1与Raptor结合激活mTORC1并上调GPX4；GARS1与CDH6、CELSR2作用抑制肿瘤或促进M1极化；IARS1稳定PTEN和BRCA1；KARS1经caspase-8切割后经外泌体促炎；LARS1与RPS5调控PI3K/AKT/mTOR；MARS2与MCU结合改变Ca²⁺、ROS和EMT；NARS1与Sav结合扰乱Hippo通路；QARS1谷氨酰化FBW7；SARS1抑制Wnt并借助POT1促衰老；YARS1与Trim28调控LIN9。6.3 CMT中，AARS1、GARS1、YARS1突变经构象变化获得或破坏相互作用，如AARS1/GARS1与NRP1、GARS1与TrkA/HDAC6/G3BP1/SIRT2、YARS1与Trim28/TrkB/actin等。6.4 自身免疫中，HARS1、NARS1、SARS1等可被分泌并被自身抗体识别，HARS1/NARS1与CCR5/CCR3等趋化因子受体作用形成炎症正反馈。6.5 病毒中，KARS1/KARS2与HIV-1 Gag/Pol及Vpr作用影响tRNA^Lys包装和病毒复制，EPRS1与Gag MA及MSC相关；EPRS1可进入GAIT复合物抑制抗炎mRNA翻译，并与KARS1/MARS1/RARS1结合SARS-CoV-2 SPEAR元件形成VAIT复合物；EPRS1还可经PCBP2稳定MAVS激活抗病毒天然免疫。6.6 EPRS1经S6K1磷酸化后与FATP1作用促进长链脂肪酸摄取，影响肥胖、炎症和衰老。6.7 突变SOD1与KARS1/KARS2异常作用，导致线粒体翻译受损、AIMP2释放及ALS样表型。
7 ARS对氨基酸和乳酸的感知
LARS1感知亮氨酸并通过多条路径激活mTORC1：作为RagD^GTP的GTP酶激活蛋白、与Vps34作用、以及将RagA白氨酰化；其从MSC释放受磷酸化调控。TARS2感知苏氨酸并与RagC^GTP作用激活mTORC1。QARS1谷氨酰化ASK1抑制凋亡；GARS1核内片段与NFκB1作用激活mTORC1；RARS1与SRRM2相互作用影响剪接、IDH1和MHC1呈递。AARS1/AARS2及大肠杆菌AlaRS可利用乳酸与丙氨酸的等排关系催化蛋白赖氨酸乳酸化，参与免疫、缺氧、p53、STAT3、自噬等过程。
8 不同细胞区室中的相互作用
8.1 细胞核中，WARS1经WHEP域与DNA-PKcs和PARP1形成三元复合物，促进PARP1介导的DNA-PKcs PAR化并抑制反向磷酸化；YARS1在白藜芦醇诱导入核后与PARP1作用增强PAR化；YARS1还与核仁Utp8/Utp22等tRNA输出机器相关。8.2 线粒体中，昆虫SLIMP与SARS2形成异二聚体，SLIMP与LON蛋白酶作用，影响线粒体DNA、TFAM和细胞周期。
9 古菌和细菌中的ARS相互作用
细菌中，游离编辑域YbaK、ProXp-Ala、ProXp-ST1/ST2可与ProRS等作用提高去酰化特异性；A. muciniphila ThrRS与TLR2结合激活ERK/p38和PI3K/AKT并发挥抗炎作用；D. radiodurans TrpRS II与deiNOS作用增强NO及4-NO₂-Trp-tRNA^Trp生成；Anabaena ValRS经CAAD定位Thylakoid膜并与ATP synthase作用；E. coli ValRS与T4噬菌体Tau肽作用提高稳定性。
10 高通量研究及启示
蛋白–蛋白相互作用组学可提供新线索，但存在噪声、假阳性和验证不足等问题；数据库和AI建模有望辅助发现与验证新的ARS相互作用。
11 结论
ARS相互作用研究揭示MSC、疾病突变、应激分泌、病毒互作、营养感知和区室特异功能等主题；MARS1/2、KARS1/2/LysRS和EPRS1相互作用最多；古菌、细菌及结构机制仍是重要空白。