撰文丨王聰
編輯丨王多魚
排版丨水成文
眾所周知，根據中心法則，DNA轉錄為mRNA，mRNA再翻譯為蛋白質，mRNA的降解速率是每個基因產生的蛋白質的數量的主要決定因素，而這又會影響細胞功能。例如，對於mRNA疫苗，mRNA存在更長時間會產生更多蛋白質，從而更好地啟用免疫系統以抵抗感染；而對於CRISPR-Cas9基因編輯，產生Cas9蛋白的mRNA最好在完成編輯後立即被清除，以防止錯誤地編輯其他基因。
在mRNA翻譯為蛋白質的過程中，轉運RNA（tRNA）負責識別mRNA上的每個密碼子，並將對應的氨基酸新增到多肽鏈，再進一步摺疊、修飾為蛋白質 。
而Science期刊發表的一項最新研究發現了tRNA的全新作用——在翻譯過程中調控mRNA降解。
2024年11月22日，德克薩斯大學西南醫學中心Joshua Mendell教授團隊（博士後朱小強為第一作者） 在國際頂尖學術期刊Science上發表了題為： Specific tRNAs promote mRNA decay by recruiting the CCR4-NOT complex to translating ribosomes 的研究論文。
該研究透過冷凍電子顯微鏡和tRNA突變實驗發現，解碼精氨酸密碼子的特異性tRNA直接將CCR4-NOT複合體招募到正在翻譯的核糖體，啟動mRNA降解，從而促進mRNA週轉。相反，還有一些tRNA具有阻止CCR4-NOT複合體募集的結構特徵。
該研究發現了tRNA在翻譯過程中調控mRNA降解的新作用——P位點tRNA介導的mRNA降解（P-site tRNA–mediated mRNA decay） ，擴充套件了tRNA的已知功能 ，揭示了調控哺乳動物細胞中mRNA穩定性的新機制，這一機制對於調控基因表達至關重要，尤其是線粒體相關mRNA，因此， 這一發現可能為線粒體遺傳病、肥胖症以及癌症等線粒體相關疾病提供新的治療方法。
許多RNA結合蛋白和調節性RNA透過與特定資訊結合並招募降解因子 （包括CCR4-NOT複合物） 來促進mRNA降解，CCR4-NOT複合物透過去除mRNA的poly(A)尾使其不穩定。
最近有研究表明，當翻譯效率低下時，CCR4-NOT複合物也可以直接募集到核糖體。 具體而言，當核糖體遇到含有有限同源tRNA的密碼子（非最優密碼子）時，它可能會以空的A位點（A-site）和E位點（E-site）的構項暫停下來。這使得CCR4-NOT複合物的一個亞單位CNOT3與空的E位點結合，從而促進mRNA的降解和加速週轉。
對人HEK293T細胞中與CNOT3結合的核糖體相關的mRNA印記進行高通量測序發現，在A位點緩慢解碼的密碼子的存在並不是核糖招募CNOT3的強訊號。相反，P位點的特定精氨酸密碼子（CGG、CGA和AGG）與CNOT3的招募高度相關，而其他密碼子（包括指定天冬醯胺、賴氨酸、異亮氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸、甲硫氨酸和蘇氨酸的密碼子）則從結合CNOT3的核糖體的P位點被消耗。
mRNA半衰期的測量和mRNA密碼子含量的分析表明，編碼線粒體核糖體蛋白的mRNA高度富集了CNOT3相關的精氨酸密碼子，因此，CCR4-NOT複合物是一個強大的線粒體翻譯和質量的負調控因子 。
研究團隊表示， 由於線粒體相關mRNA受這種新發現的mRNA降解機制的影響最為嚴重，將來有望利用這種降解機制來治療某些遺傳性線粒體疾病以及其他線粒體發揮關鍵作用的疾病（例如肥胖症和癌症）。
為了研究P位點密碼子身份如何調控CNOT3招募，研究團隊對含有CGG精氨酸密碼子的CNOT3結合的核糖體進行了冷凍電鏡分析，結合tRNA和CNOT3的突變，產生的高解析度冷凍電鏡結構揭示了P位點tRNA在CNOT3招募中的核心作用。
核糖體的分子模型（藍色和黃色），CCR4-NOT複合物的一部分（綠色）結合在E-位點，識別P-位點的特異性精氨酸tRNA（橙色）。
具體來說，CNOT3進入空的E位點，與P位點tRNA Arg,CCG 的D臂（D-arm）形成氫鍵相互作用。這些促進CNOT3募集的相互作用依賴於解碼CGG、CGA和AGG的精氨酸tRNA中罕見的U13:A22:A46三聯體的存在。此外，解碼從CNOT3結合核糖體中缺失的密碼子的tRNA通常在D環（D-loop）中含有一個額外的核苷酸，該核苷酸與CNOT3發生空間衝突，從而阻止其募集。
P位點tRNA控制著CCR4-NOT複合體向翻譯中的核糖體的募集。緩慢解碼導致核糖體具有空的A位點和E位點，為CNOT3進入E-位點並探測P-位點tRNA提供了機會,精氨酸特異性tRNA穩定CNOT3的募集並促進mRNA的降解，而其tRNA在空間上阻斷CNOT3的結合，使mRNA能夠繼續翻譯。
總的來說，該研究揭示了tRNA除了在mRNA解碼中發揮經典作用外，還參與了翻譯中的核糖體招募轉錄調控因子，從而促進mRNA降解，加速其週轉。研究團隊提出了P位點tRNA介導的mRNA降解（P-site tRNA–mediated mRNA decay） 來描述這種mRNA加速週轉的新機制。
論文連結：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adq8587
