高等真核生物中，有一類(lèi)長(zhǎng)度約為19-30個(gè)堿基的小RNA，在調(diào)控基因表達(dá)、抗病毒以及維持基因組穩(wěn)定性等一系列重要生理過(guò)程中起關(guān)鍵作用。Dicer核酸內(nèi)切酶是小RNA生物合成的核心分子，Dicer在小RNA的產(chǎn)生過(guò)程中，起到“分子尺”的功能，從前體RNA的一端測(cè)量特定的長(zhǎng)度并切割產(chǎn)生特定的小RNA。過(guò)去二十多年，研究者們針對(duì)Dicer核酸酶開(kāi)展了大量的系統(tǒng)研究，然而這個(gè)過(guò)程中Dicer作為一個(gè)整體是如何測(cè)量RNA的長(zhǎng)度、如何特異性識(shí)別RNA的末端等核心問(wèn)題仍沒(méi)有得到完整的分子機(jī)制解析。
近日，深圳大學(xué)醫(yī)學(xué)部李思思副教授課題組和南方科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院杜嘉木教授課題組以及美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校Steven Jacobsen教授課題組共同合作，對(duì)Dicer開(kāi)展了深入的結(jié)構(gòu)功能研究，以“Mechanism of siRNA production by a plant Dicer-RNA complex in dicing competent conformation”為題在國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)雜志Science上發(fā)表了最新的學(xué)術(shù)進(jìn)展，闡釋了Dicer家族酶的分子作用機(jī)制。深圳大學(xué)為第四完成單位，南方科技大學(xué)、加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校、清華大學(xué)為合作單位。
利用南方科技大學(xué)的冷凍電鏡平臺(tái)，研究人員解析了一個(gè)植物來(lái)源的Dicer蛋白DCL3與其前體小RNA的復(fù)合物結(jié)構(gòu)（圖1），該結(jié)構(gòu)分辨率高達(dá)3.1埃，可以直接觀(guān)測(cè)到此前所一直沒(méi)有觀(guān)測(cè)到的末端識(shí)別和定點(diǎn)切割機(jī)制。在RNA的末端，DCL3利用一個(gè)正電富集的結(jié)合口袋特異性識(shí)別前體小RNA前導(dǎo)鏈的5‘磷酸，從而將RNA的第一個(gè)堿基對(duì)打開(kāi)，更進(jìn)一步對(duì)前導(dǎo)鏈的第一個(gè)堿基A產(chǎn)生特異性識(shí)別；與此同時(shí)，DCL3利用一簇芳香族氨基酸對(duì)前體小RNA的互補(bǔ)鏈的1 nt 3’-overhang末端進(jìn)行識(shí)別，防止3‘末端的延伸。以這些相互作用為起點(diǎn)，在另一側(cè)，DCL3的兩個(gè)RNaseIII結(jié)構(gòu)域?qū)η绑w小RNA的兩條鏈分別進(jìn)行切割。DCL3利用自身RNA末端結(jié)合口袋至RNaseIII結(jié)構(gòu)域之間的距離來(lái)測(cè)量前體小RNA，達(dá)到特定的長(zhǎng)度后進(jìn)行切割。
生化上，Dicer家族酶同時(shí)具備5’磷酸依賴(lài)的測(cè)量和3‘-overhang依賴(lài)的測(cè)量?jī)深?lèi)機(jī)制。研究人員繼續(xù)對(duì)DCL3針對(duì)不同長(zhǎng)度的3’-overhang的前體小RNA的酶活進(jìn)行了測(cè)定，發(fā)現(xiàn)隨著overhang長(zhǎng)度的延伸，活性只是降低但并沒(méi)有完全喪失。為解析其識(shí)別機(jī)制，研究人員繼續(xù)解析了DCL3和更長(zhǎng)的2 nt 3‘-overhang前體小RNA的復(fù)合物結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)更長(zhǎng)的overhang可以通過(guò)loop-out機(jī)制反轉(zhuǎn)出RNA，在末端又折疊回來(lái)形成類(lèi)似的識(shí)別。解釋了其具備活性又有所降低的機(jī)制。后續(xù)的體內(nèi)、體外突變體實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)的觀(guān)測(cè)。
圖1 擬南芥DCL3結(jié)合RNA底物的復(fù)合物結(jié)構(gòu)
項(xiàng)目支持：
廣東省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目，2016ZT06S172，系統(tǒng)表觀(guān)遺傳學(xué)在農(nóng)作物改良中的應(yīng)用，2017/06/01-2022/05/31，在研，第一核心成員
論文鏈接：https://doi.org/10.1126/science.abl4546
