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Nature:颜宁等揭示PPR特异识别单链RNA分子机制

日前,来自清华大学教授颜宁研究组首次阐明了 PPR 蛋白特异识别单链 RNA 的分子机制。清华大学生命科学学院博士后殷平以及博士研究生李泉秀为该论文共同第一作者。相关研究论文在线刊登在了《自然》(Nature)杂志上。

PPR (pentatricopeptide repeat)蛋白是广泛分布于各类生物当中一大类蛋白家族,在高等植物叶绿体和线粒体当中尤其种类丰富,比如拟南芥和玉米中各有四百多种 PPR 蛋白。 PPR 蛋白对单链 RNA 具有序列特异性识别模式,与 RNA 的转录、剪切、编辑、和稳定性等过程都密切相关,因为与包括多种农作物在内的植物细胞质雄性不育有直接联系而受到重视。在人类中, PPR 蛋白在包括导致 Leigh 综合症在内的众多生理和病理过程中发挥重要作用。

图示为 PPR 蛋白晶体结构以及对 RNA 的特异性识别。

PPR 蛋白的 RNA 结合模式与已知的 RNA 结合蛋白均不同。 PPR 蛋白由多个 PPR 重复单元组成,大多数情况下,一个经典的 PPR 重复单元含有35个氨基酸,每一个重复单元可以特异性地识别一个 RNA 碱基,近两年的生物信息学和初步生物化学研究研究显示 PPR 模块与 RNA 序列有特异的对应关系,但其识别机理及识别密码尚不明确。揭示 PPR 蛋白特异识别 RNA 碱基的分子机制对于理解 PPR 蛋白的工作机理以及促进 PPR 蛋白生物技术领域的应用具有重要意义。

颜宁教授研究组与施一公、朱健康、王佳伟、王宏伟等课题组合作,选择源自玉米叶绿体的 PPR10 蛋白进行了深入的结构生物学和生物化学分析,最终获得了 PPR10 蛋白在未结合 RNA 和特异结合靶标PSAJ单链 RNA 两种状态下的高分辨率晶体结构。结构显示, PPR10 包含19个 PPR 重复单元,每个 PPR 重复单元均为helix-loop-helix结构,多个重复单元组成两圈右手超螺旋。 PPR10 -PSAJ的复合体晶体结构则清晰地揭示了 PPR 蛋白特异性识别 RNA 碱基的分子机理。特异识别发生于 PPR 重复单元的第2、5、35位的氨基酸与相对应的 RNA 碱基,这一结构生物学发现为破解 PPR 的 RNA 识别密码提供了直接的依据。

自然界中有许多具有重复单元构造的蛋白质,其结构与功能的揭示往往可以把这些蛋白质改造为重要的工具蛋白。例如科学家根据 TALE 蛋白对 DNA 序列的特异识别,设计组装能够识别任意序列双链 DNA 的 TALE N工具酶,进而对基因组进行改造。 TALE N已经在多个物种中获得了广泛应用。这是颜宁课题组与合作者继 2012 年 1 月在《科学》报道 TALE 蛋白识别双链 DNA 的分子机制后,对重复单元蛋白的又一项结构与功能研究,希望可以促进 PPR 在生物技术中的应用。

上海同步辐射光源(SSRF)何建华研究员及郁峰博士为数据收集提供了及时有效的帮助,保证了研究组在这一课题上率先取得突破。南开大学龙加福研究组为 PPR 蛋白的生化性质鉴定提供了重要支持。

原文检索:

Ping Yin, Quanxiu Li, Chuangye Yan, Ying Liu, Junjie Liu, Feng Yu, Zheng Wang, Jiafu Long, Jianhua He, Hong-Wei Wang, Jiawei Wang, Jian-Kang Zhu, Yigong Shi & Nieng Yan. Structural basis for the modular recognition of single-stranded RNA by PPR proteins. Nature, 27 October 2013; doi:10.1038/nature12651

Dong Deng, Chuangye Yan, Xiaojing Pan, Magdy Mahfouz, Jiawei Wang, Jian-Kang Zhu, Yigong Shi, Nieng Yan. Structural Basis for Sequence-Specific Recognition of DNA by TAL Effectors. Science 10 February 2012; DOI: 10.1126/science.1215670

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