近日，云南大学生物医药研究院陈大华教授和中国科学院动物研究所孙钦秒研究员受邀在Cell Press细胞出版社期刊Trends in Cell Biology发表了题为“Argonaute-dependent ribosome-associated protein quality control”的综述。该论文全面总结了核糖体相关蛋白质量控制（ribosome-associated protein quality control, RQC）途径的具体过程和分子机理，系统归纳了Argonaute（AGO）蛋白在miRNA介导的基因沉默途径中的功能，并对内质网上定位的AGO蛋白，在RQC途径与miRNA介导的基因沉默途径偶联过程中，作为桥联蛋白的功能与机制进行了深入的讨论，提出了Argonaute蛋白依赖的核糖体相关蛋白质量控制系统的新机制。
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基因表达是遗传信息从DNA传递到蛋白质的生物学过程，主要包括DNA的转录和mRNA的翻译，转录是遗传信息从DNA转移到RNA的过程，而翻译是RNA信息流向蛋白质的过程。基因表达的调控即对从DNA到蛋白质的生物学过程的调节和控制。真核细胞在转录、转录后、翻译以及翻译后多个层次上进化出一系列机制来调控基因的表达。AGO/miRNA介导的基因沉默和泛素介导的蛋白质量控制 (protein quality control, PQC) 分别是转录后以及翻译后水平基因表达调控的两种重要机制[1,2]。细胞受到外界信号刺激时，通过这些保守的机制来改变基因表达的状态，从而维持细胞的正常稳态。AGO/ miRNA介导的基因沉默和PQC的调控异常，会导致多种疾病甚至肿瘤的发生。
翻译是在核糖体上以mRNA为模版合成蛋白质的生物学过程。核糖体由 rRNA与核糖体蛋白构成，在进化上高度保守且存在于所有细胞内的细胞器。核糖体是细胞内蛋白质合成的场所，是tRNA与mRNA相互识别、肽键形成、肽链延长等过程的发生平台。核糖体的主要功能是以mRNA为模板，氨基酸为原料合成蛋白质。核糖体在蛋白质合成的过程中，携带各种氨基酸的tRNA分子依据密码子与反密码子的相互配对关系为延长肽链提供氨基酸原料。正常条件下，当肽链合成完毕后，核糖体会立即与mRNA分离；如果核糖体在到达终止密码子之前就停止翻译，会使其无法与mRNA解离，导致核糖体停滞 (ribosome stalling)。核糖体停滞会直接导致截短多肽的产生，这些带有缺陷的新生多肽会对细胞的稳态造成威胁，需被及时清除。在真核生物中，这种检测翻译过程中核糖体停滞事件并使相关新生多肽降解的过程被称为核糖体相关质量控制（ribosome-associated quality control，RQC）。
RQC作为细胞内一种蛋白质合成的监控机制，当翻译过程中出现核糖体停滞时，可以快速启动新生多肽的降解。RQC的整个过程包括停滞核糖体识别、核糖体大小亚基分离、缺陷 mRNA 和新生多肽降解、CAT 尾形成几个步骤 [3](图 1)。停滞核糖体和紧随其后的核糖体之间发生碰撞，产生disome，随后被泛素连接酶 Hel2 (酵母)/ZNF598 (哺乳动物) 识别，导致其结合位点附近核糖体40S亚基上的两个蛋白 (RpS10 和 RpS20) 的泛素化。核糖体40S 亚基上的泛素化触发核糖体大小亚基的分离，该过程的发生涉及到一系列分裂因子 (splitting factors) 的参与，例如Dom34/PELO、Hbs1/HBS1L/GTPBP2和 Rli1/ABCE等，进而介导核糖体40S亚基与60S亚基分离。核糖体的大小亚基分离后，缺陷mRNA被选择性降解，40S 亚基也被重新循环利用，而60S亚基上还含有一个与 P 位点 tRNA 结合的新生多肽。此时，Rqc2 (Ribosome-associated quality control factor 2, 哺乳动物中的同源蛋白为nuclear export mediator factor, NEMF) 会被招募到60S亚基上，其N端和C端结构域与60S亚基P位点上暴露的tRNA结合，中间结构域与60S亚基相互作用，使带有新生多肽的停滞核糖体60S亚基和tRNA被特异性识别。随后Rqc2 招募泛素连接酶 Ltn1/listerin催化新生多肽的泛素化。新生肽的泛素信号会招募VCP (valosin-containing protein) 蛋白及其辅助因子泛素融合降解蛋白1 (ubiquitin fusion degradation protein 1, Ufd1) 和核蛋白定位蛋白4 (nuclear protein localization protein 4, Npl4) 三元复合物到60S 亚基来传递停滞核糖体上的新生多肽，并与Vms1协同作用，使得新生多肽到26S蛋白酶体进行降解 （图 1）。
▲图 1 真核生物中的RQC系统
内质网（endoplasmic reticulum，ER）作为真核细胞中最大的有膜细胞器，由扁平囊状结构和大量分支小管构成复杂的网状结构，上面分布着丰富的核糖体，是细胞内分泌蛋白和膜蛋白翻译的重要场所 [4]（图 2）。内质网在细胞内行使多种功能，例如，脂质和蛋白质的合成、Ca2+的储存、膜蛋白和分泌蛋白的折叠和运输以及与其他细胞器间的通讯等。除了这些已知的功能外，ER还参与细胞内很多非膜颗粒的组装和去组装，如P-bodies、应激颗粒、TIS颗粒、whi3颗粒等（图 2）。当细胞处于应激状态时，基因的转录后沉默以及RQC会在ER上同时发生。我们先前的研究发现，这两种基因表达的调控方式可以通过ER定位的AGO蛋白进行偶联。AGO蛋白通过与磷脂PI(4,5)P2的特异相互作用，在ER上发生相分离，形成RNP颗粒，招募E3泛素连接酶Ltn1，从而调控新生多肽的泛素化，进而实现基因表达的精密调控 [5]（图 2）。
▲图2 磷脂介导的AGO蛋白在ER上的相分离及其在RQC中的功能
AGO蛋白调控新生多肽泛素化的发现扩展了我们对AGO蛋白的认知。AGO蛋白除了可以通过miRNA靶向mRNA外；还可以协同Ltn1降解细胞内非必需的蛋白产物。AGO蛋白这一新功能的发现，引申出了一个重要的科学问题：即AGO蛋白如何协调RQC来调控ER上新生多肽的泛素化?
Ltn1/Listerin是RQC途径中第一个被鉴定出来的组分，作为新生肽泛素化的E3泛素连接酶，它的缺失会导致新生多肽在60S核糖体的累积 [6]。Ltn1含有一个保守的N端结构域，HEAT/ARM重复序列，以及C端RING结构域。其N端结构域主要负责与停滞的60S核糖体结合；C端RING结构域催化新生多肽的泛素化（图 3）。我们的研究发现，Ltn1与AGO蛋白存在相互作用；AGO蛋白作为miRNA/RISC的核心效应蛋白，也参与Ltn1介导的新生肽泛素化。这些结果表明，至少存在一种RQC，是以AGO蛋白依赖的方式调控新生多肽多泛素化。
▲图 3 Ltn1的蛋白结构域及其功能
之前已有研究表明，AGOs/miRNAs和核糖体停滞之间可能存在一定的关联。miRNAs本身可以直接靶向某些mRNA的编码区，进而导致翻译的异常。最新的研究发现，当AGO/RSIC结合在mRNA的编码区时，可直接导致核糖体停滞。这说明AGOs/miRNAs与核糖体停滞有直接的关系 [7]。在植物中，有许多miRNAs会靶向mRNA的编码区，但只有少数miRNA与其靶标mRNA编码区的结合位点结合会导致核糖体停滞的发生，表明miRNA介导的核糖体停滞可能还需要其他因素的参与。最近的研究表明，双链RNA结合蛋白SGS3与AGO/RISC中miRNA的3‘ 端直接相互作用，引起核糖体停滞，促进靶标mRNA的切割，导致更过次级siRNA的产生 [8,9]。在动物中，FMRP作为核糖体相关的RNA结合蛋白（RNA binding protein，RBP），可以与AGOs结合，参与翻译抑制。已有研究表明，在小鼠的大脑组织中，FMRP蛋白可以结合到靶标mRNA的编码区，直接导致核糖体停滞 [10]。mRNA的3’-UTR是调控其翻译效率、稳定性和亚细胞定位的关键元件，它们可以通过与不同的RBP相互作用，实现多种调控功能。在AGO依赖的RQC中，AGO靶向的mRNA的3’-UTR在AGO依赖的RQC中可能发挥重要的作用。
基于以上研究进展以及我们对AGO蛋白调控新生多肽泛素化功能的发现，我们提出了AGO蛋白依赖的核糖体相关蛋白质量控制系统的新机制（图4）。AGO蛋白通过与RBP作用，导致核糖体停滞，或招募Ltn1到核糖体的60S亚基上，参与RQC的调控。
▲图4 AGO蛋白调控RQC的潜在机制
本文参考文献（上线划动查看）
1 Treiber, T. et al. (2019) Regulation of microRNA biogenesis and its crosstalk with other cellular pathways. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 20, 5–20
2 Baker, H.A. and Bernardini, J.P. (2021) It’s not just a phase; ubiquitination in cytosolic protein quality control. Biochem. Soc. Trans. 49, 365–377
3 Filbeck, S. et al. (2022) Ribosome-associated quality-control mechanisms from bacteria to humans. Mol. Cell 82, 1451–1466
4 Gubas, A. and Dikic, I. (2022) ER remodeling via ER-phagy. Mol. Cell 82, 1492–1500
5 Gao, Y. et al. (2022) Lipid-mediated phase separation of AGO proteins on the ER controls nascent-peptide ubiquitination. Mol. Cell 82, 1313-1328.e8
6 Bengtson, M.H. and Joazeiro, C.A.P. (2010) Role of a ribosome-associated E3 ubiquitin ligase in protein quality control. Nature 467, 470–473
7 Zhang, K. et al. (2018) A novel class of microRNA-recognition elements that function only within open reading frames. Nat. Struct. Mol. Biol. 25, 1019–1027
8 Iwakawa, H.-O. et al. (2021) Ribosome stalling caused by the Argonaute-microRNA-SGS3 complex regulates the production of secondary siRNAs in plants. Cell Rep. 35, 109300
9 Kim, E.Y. et al. (2021) Ribosome stalling and SGS3 phase separation prime the epigenetic silencing of transposons. Nat. Plants 7, 303–309
10 Darnell, J.C. et al. (2011) FMRP Stalls Ribosomal Translocation on mRNAs Linked to Synaptic Function and Autism. Cell 146, 247–261
相关论文信息
相关研究发表在Cell Press细胞出版社旗下期刊Trends in Cell Biology，
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▌论文标题：
Argonaute-dependent ribosome-associated protein quality control
▌论文网址：
https://www.cell.com/trends/cell-biology/fulltext/S0962-8924(22)00188-X
▌DOI：
https://doi.org/10.1016/j.tcb.2022.07.007
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论文作者介绍
陈大华
教授
陈大华，教授、博士生导师，教育部“长江学者奖励计划”特聘教授。陈大华教授长期从事发育生物学研究，先后主持科技部重大研究计划、基金委重大项目和重点项目。在Cell、Molecular Cell、PNAS、Developmental Cell等期刊上发表一系列文章。获中国科学院杰出科技成就奖及第九届谈家桢生命科学奖创新奖、云南省科技厅科技领军人才项目资助。
孙钦秒
教授
孙钦秒，研究员，博士生导师，中国科学院动物研究所生物膜国家重点实验室免疫和信号传导研究组组长。主要研究方向包括天然免疫反应的调控机制、免疫调控与癌症治疗和自身免疫疾病的关系以及干细胞命运调控的分子机制。代表性学术成果发表在Molecular Cell、Nature Communication、PNAS、Cell Reports、PLoS Pathogens、Immunity、Blood等学术期刊上。
转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号
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