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Nature:DICER产生小RNA的序列决定因素

日期: 来源:生物医学科研之家收集编辑:蕾玖

 

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论文ID
题目:Sequence determinant of small RNA production by DICER
期刊:Nature
IF:69.504
发表时间:2023年2月22日
通讯作者单位:首尔国立大学
DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-023-05722-4
主要内容:
酶Dicer裂解一种被称为pre-microRNA的RNA,制成成熟的功能性RNA。现在,结构性证据揭示了所涉及的催化机制和一个新发现的被称为GYM的RNA序列的作用。
基因表达可以通过依赖于小RNA的靶向途径而被沉默。Lee等人在《自然》杂志上撰文,对这种RNA成熟的一个关键步骤提供了见解,该步骤是由Dicer酶介导的。
几乎所有的真核生物(细胞中含有细胞核的生物)都有依赖RNA的基因消减途径。其中许多系统是由不成熟的RNA推动的,这些RNA通常是以双链RNA(dsRNA)的形式存在。这种dsRNA是小型调控RNA的起源,包括微RNA(miRNA)和短干扰RNA(siRNA)。在这两种情况下,dsRNA前体被一种特殊的酶所裂解,这种酶的特点是具有所谓的RNase III结构域。
miRNAs是由茎环结构的前体加工而成,也被描述为发夹,它们需要两种RNase III酶的连续作用。在动物中,Drosha酶进行第一次切割,Dicer进行第二次切割。这两种酶都定义了短的双链miRNA中间物的末端,从中选择一条miRNA链并将其纳入蛋白复合物RISC中,其中RNA直接与Argonaute蛋白家族的一个成员结合。
siRNA通常只由一种酶Dicer从长dsRNA的末端处理。然而,这种情况需要Dicer沿着dsRNA移动。因此,Dicer 酶一般可分为所谓的非过程性酶和过程性酶,这取决于它们是否从dsRNA分子中生成一个以上的小RNA。人类Dicer(hDicer)专门用于前miRNAs,因此是非过程性的。尽管来自各种生物的Dicer酶的结构是可用的,但对hDicer的新研究澄清了催化裂解步骤(也被称为 "切割"),并揭示了进化上保守的前miRNA特征,这些特征对有效的RNA处理很重要。
多结构蛋白hDicer(图1)包括两个RNase III结构域、一个螺旋酶结构域、一个dsRNA结合结构域(dsRBD)和一个PAZ结构域,该结构域与平台结构域一起容纳预miRNA发夹的两端。Dicer不仅切割pre-miRNA,而且还发挥 "分子尺 "的作用,基本上测量RNA茎末端与酶的催化中心之间的距离,产生长度为20-23个核苷酸的dsRNA。pre-miRNA的序列高度多样化,但除了发夹结构的常见RNA特征、RNA一侧(其3′端)的2个核苷酸3′悬垂和RNA另一侧(其5′端)的磷酸基团外,以前没有发现可能引导裂解的特定序列或额外的局部结构图案。
为了找到这样的特征,Lee等人的第一项研究使用了一种预miRNA处理方法,其中RNA被设计成随机化预miRNA的上茎序列。然后,作者通过对Dicer裂解后产生的小RNA产物进行测序来测试RNA处理的效率。他们由此发现了一个进化上保守的核苷酸序列,他们称之为GYM。这种核苷酸图案位于裂解部位周围,由成对的鸟嘌呤(G,RNA中发现的四个主要碱基之一)、成对的嘧啶(Y,可以是碱基胞嘧啶和尿嘧啶中的任何一个)和一个不匹配的核苷酸对组成。当这个图案被设计到一个随机的短发夹RNA上时,与缺乏该图案的RNA相比,Dicer对该RNA的处理明显增加。
在他们的第二项研究中,Lee等人使用hDicer和带有GYM图案的前miRNA作为材料,通过低温电子显微镜产生结构数据。令人震惊的是,作者发现了hDicer在切割状态下的复合体,这在迄今为止是没有的。
与切割前状态的结构相比,在切割前状态下,螺旋酶结构域与pre-miRNA环结合,使pre-miRNA远离催化中心,而在切割状态的结构中,螺旋酶结构域是看不到的。这一观察表明,在切割状态下,螺旋酶结构域变得非常灵活(图1)。它可能不再与pre-miRNA结合,使pre-miRNA能够移动到一个适合切割的位置。此外,在这个位置上,Dicer的dsRBD能识别GYM主题,并稳定RNA和Dicer之间的相互作用,以实现更有效的裂解反应。这种分子相互作用解释了GYM主题的进化保护。
尽管有几个来自不同生物体和不同状态的Dicer结构,但关于这个迷人的分子机器仍有许多未知数。首先,最耐人寻味的是,裂解产物在切割后的状态下是如何释放的?一个RISC加载复合物已被推测出来,由Dicer、其伙伴蛋白TRBP和一个Argonaute蛋白组成,该蛋白在裂解后从Dicer手中接过miRNA的处理。这一步骤显然需要裂解产物的主要结构重排和长距离移动。在这样的复合体中,螺旋酶结构域可能变得更加静态,TRBP也可能对结构重排做出贡献。另一个问题是一个正确装载的RISC如何从这个复合物中释放出来。
此外,我们甚至还没有开始了解Dicer的改变(称为翻译后修饰)在这一过程中的作用,如添加磷酸基(磷酸化)。许多这样的修饰已被报道,但它们是否以及如何对切割周期,特别是对Dicer的结构灵活性作出贡献,尚不清楚。
值得注意的是,这两项研究都强调了与癌症相关的突变,这些突变与Dicer中突出的结构位置相对应。例如,编码平台域中容纳预miRNA 5′端的口袋的序列在癌症中经常发生突变。此外,与癌症相关的dsRBD的突变导致Dicer与GYM图案的结合减少。
可以推测,还有更多这样的突变存在,它们不仅可能影响Dicer的裂解,还可能影响后来的切割后步骤。这种突变对细胞生长和癌症发展有什么影响?是否仅仅是由于加工受损而导致全球miRNA水平的降低,或者甚至可能存在特定miRNA加工前的影响?未来的机制和结构工作将为miRNA形成的基本细胞过程及其与疾病的联系提供进一步的功能见解。
原文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-023-05722-4



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国自然专家六:

H教授,博士生导师,主持国家重点研发计划“干细胞及转化研究”重点专项(首席科学家)、国家自然科学基金(5项)、国家重点研发计划发育编程及其代谢调节重点专项PI、上海市科委重大课题等30余项课题,累计经费9600万元。发表论文72篇,其中SCI论文42篇,总影响因子323。以第一作者或通讯作者(含共同)发表SCI论文25篇,总影响因子186,4篇影响因子大于20。申请专利11项,其中5项已授权,国际PCT专利1项。参加专著和国家统编教材编写9部,承担教学课题和学生创新指导课题8项。研究成果被评为中国科学十大进展、细胞出版社中国年度论文、上海市优秀发明金奖、上海医学科技奖二等奖、浦东新区科技进步一等奖等。


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Q教授,博士生导师,博士生导师,重塑相关心血管疾病教育部重点实验室副主任。兼中国生理学会副秘书长及中国病理生理学会常务理事。长期从事代谢异常与重塑相关心血管疾病的发病机制及潜在靶点研究。在Circulation、Hepatology、J Hepatol等杂志发表论文50余篇。主持国家自然科学基金重大研究计划等项目6项,参与科技部重点研发计划2项,入选北京市海外高层次人才计划及教委长城学者计划等。

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X教授,脂糖代谢实验室/重庆市重大代谢性疾病转化医学重点实验室,主任、教授、博士生导师、内分泌与代谢学科带头人;中国侨界(创新人才)贡献奖获得者;美国内分泌学会高级会员、美国生理学会、美国糖尿病协会会员;Journal of Neuroendocrinology等期刊审稿专家。近五年,主持国家级项目3项(国家自然科学基金重点项目1项、面上项目2项),省部级课题2项;发表通讯作者SCI 论文5篇;获得中华医学会科研奖励1项;培养博士1人,硕士16人。疾病转化医学重点实验室,主任、教授、博士生导师、内分泌与代谢学科带头人;重庆市生物化学与分子药理学重点实验室PI、脂糖代谢实验室实验室执行主任。中国侨界(创新人才)贡献奖获得者;美国内分泌学会高级会员、美国生理学会、美国糖尿病协会会员;Journal of Neuroendocrinology等期刊审稿专家。近五年,主持国家级项目3项(国家自然科学基金重点项目1项、面上项目2项)。


国自然专家九:

L教授,医院病理科主任、博士生导师、病理学科带头人;重庆市中青年骨干教师,霍英东青年教师奖获得者;USCAP会员,国际老年痴呆协会会员,中国神经科学学会会员,多个国内外期刊审稿专家。近五年,主持国家级项目4项(国家自然科学基金面上项目3项、青年基金项目1项),省部级课题3项;发表通讯作者SCI 论文二十余篇;培养博士1人,硕士23人,曾作为访问学者、访问教授分别留学加拿大、美国。


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中科院研究员,中国科学院研究生院生物化学与分子生物学博士,2001-2008年任职于美国罗约拉大学医学中心神经科学部期间,曾与著名神经内分泌学专家Louis Van de Kar 教授、George Battaglia教授等合作从事神经药理学研究,共同主持和参与多项美国心脏协会和美国国家卫生部(NIH)项目。2008年回国以来主持多项国自然,评审国自然经验丰富。


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