撰文 | 言笑
动态核糖体-易位子复合体（ribosome-translocon complex）位于内质网（ER）膜，产生大部分人类蛋白质组。它控制新生蛋白质的合成、易位、膜插入、N-糖基化、折叠和二硫键的形成【1-2】。核糖体与动态ER易位复合物结合，其不变的核心模块（异源三聚体蛋白传导通道SEC61）面向核糖体出口通道。为了促进蛋白质运输并适应信号肽，SEC61可以从封闭构象切换到开放构象【3-4】。SEC61与不同的辅因子结合反映了对不同底物的需求。易位子相关蛋白复合物（Translocon-associated protein complex, TRAP）是广泛存在于高等真核生物中的一种膜蛋白，其作为信号序列的受体蛋白位于内质网膜上。该蛋白能选择性地识别信号序列，并与SEC61相互作用形成一个以SEC61为核心、TRAP侧向延伸的椭圆状转运通道，从而靶向新生肽链进入内质网腔。OSTA（Oligosaccharyltransferase complex A），负责底物的N-糖基化，在哺乳动物细胞中至少50%的易位子颗粒中观察到【5】。除了SEC61-TRAP和SEC61-TRAP-OSTA易位子外，最近还对专门用于插入多次跨膜蛋白的核糖体结合易位子进行了结构分离和分析【6-7】。尽管如此，之前关于核糖体-易位子复合体的研究均是独立分开进行的，对于它们整体在天然ER膜中的相互作用的认识仍然非常局限。近日，来自荷兰乌得勒支大学的 Friedrich Förster团队与Juliette Fedry团队合作在Nature杂志上在线发表了题为Visualization of translation and protein biogenesis at the ER membrane的文章，研究人员通过冷冻电子断层扫描（cryo-ET）、大规模的分类和分子建模捕获了分子分辨率下ER膜上mRNA翻译和蛋白质成熟的快照。为了分析ER结合核糖体和相关ER易位复合物的延伸周期，作者快速（约1小时内）从HEK293F细胞中分离出ER衍生的囊泡（微粒体），用于随后的冷冻断层扫描成像。大量的断层扫描分析揭示了最丰富的核糖体和易位状态。作者总共区分了十种核糖体中间状态和四种易位子变体，以及两个分辨率范围为4-10Å的转位子结合伴侣，后续将根据这些高分辨率结构对核糖体中间状态进行分类。作者根据以前的体外重建研究进行建模【8-10】，发现鉴定出的核糖体中间态与延伸周期非常契合（图1）。有意思的是，在延伸周期中出现了一种以前未被描述过的高度丰富的中间体（33%）：虽然tRNA被容纳在规范的A位点中，并且核糖体小亚基“滚动”到经典的预构型中，但eEF1a依旧以扩展的构象与核糖体结合，这表明eEF1a可能在GTP水解后仍与核糖体结合。作者还观察到三种最丰富状态的分配位置与延伸率限制步骤一致：解码和pre+对应于校对步骤，而rotated-2先于易位（图1）。在内质网膜上，不同的多聚核糖体结合到不同的内质网易位子上，作者根据核糖体出口通道附近的结构特征将颗粒分为五类（图2）：一个可溶性核糖体类和四个膜结合核糖体类。可溶性核糖体与EBP1相关，EBP1在出口通道处被ES27L包围，而膜结合核糖体（64,208个颗粒）接触四个不同的ER易位子复合物：最丰富的是SEC61-OSTA-TRAP（69%的ER结合颗粒）和SEC61-TRAP易位子（10%）（与以前的研究一致【5】）。其余两类（21%）的ER易位子具有共同的较大成分，其中一个也包含TRAP。总的来说，作者观察到野生型HEK ER微粒体中的主要易位子类型是SEC61-multipass，SEC61-multipass-TRAP，SEC61-OSTA-TRAP和SEC61-TRAP（图2a）。图2. （a）通过 3D 分类对不同可溶性和 ER 膜相关核糖体群体进行局部过滤重建；（b）ER 衍生囊泡的一个断层扫描的分段表示。
作者通过由蛋白质传导通道SEC61，TRAP和寡糖转移酶复合物A（OSTA）组成的最丰富的ER易位子变体的近乎完整的原子模型（4.2Å）揭示了TRAP与其他易位子组分的特定相互作用。作者还观察到与OSTA相关的化学计量学和亚化学计量学辅助因子，其中可能包括蛋白质异构酶。总之，该研究通过冷冻电子断层扫描数据的广泛分类可视化了多聚体背景下ER相关翻译的过程和蛋白质生物发生因子的动态募集（图3）。这项关于细胞中合成的分泌蛋白整体的研究不仅补充了以往的生化分析，并为未来研究特定蛋白质的生物发生以及不同细胞状态和疾病中的机制变化奠定了基础。原文链接:
https://doi.org/10.1038/s41586-022-05638-5
制版人：十一
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