雷根斯堡大学：MicroRNA使用GYM基序来适应Dicer酶的切割

背景

基因表达可以通过依赖于小RNA的靶向通路被沉默。Lee等人在《自然》杂志上发表文章，阐述了由Dicer酶介导的此类RNAs成熟过程中的关键步骤。

依赖RNA的基因沉默通路在几乎所有真核生物 (细胞含有细胞核的生物)中都有发现。这些系统中的许多都是由未成熟的RNA所驱动的，这些RNA通常以双链RNA (dsRNA)的形式存在。这些dsRNA是包括微小RNAs (miRNAs)和短干扰RNAs (siRNAs)在内的小RNA衍生的。在这两种情况下，dsRNA前体被一类特殊的酶切割，这种酶的特征是具有被称为RNase III的结构域。

简介         

2023年2月23日，来自德国雷根斯堡大学的Gunter Meister在Nature (IF: 69.504)发表了名为MicroRNA uses a gym to get fit for cuts by Dicer enzyme的研究[1]。

研究要点

Dicer酶切割一种叫做pre-microRNA的RNA，从而形成成熟的功能性RNA。结构证据现在揭示了所涉及的催化机制和一个新发现的称为GYM的RNA序列的作用。

主要结果

这些miRNAs由茎环结构的前体 (也称为发夹)加工而成，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酶进行第二次切割。这两种酶都定义了短双链miRNA中间产物的末端，其中一条miRNA链被选择并整合到蛋白复合物RISC中，而在RISC中，RNA直接与Argonaute蛋白家族的一个成员结合。

siRNAs通常仅由一种Dicer酶从长dsRNAs的末端加工而成。然而，这种情况需要Dicer沿着dsRNA移动。因此，Dicer酶通常可以分为非加工酶和加工酶，这取决于它们是否从dsRNA分子中产生一种以上的小RNA。人类Dicer (hDicer)是miRNAs前体的特化产物，因此是非加工性的。尽管可从各种生物获得Dicer酶的结构，但hDicer的新研究阐明了催化裂解步骤 (也称为“切割”)，并揭示了进化上保守的前miRNA特征，这些特征对RNA的高效加工十分重要。

多结构域蛋白hDicer (图1)包括两个RNase III结构域、一个解旋酶结构域、一个dsRNA结合结构域 (dsRBD)和一个PAZ结构域，与平台结构域一起容纳前miRNA发夹的两端。Dicer不仅切割前miRNA，还通过测量RNA茎末端和酶催化中心之间的距离，作为“分子标尺”产生20-23个核苷酸长的dsRNA。前miRNAs的序列高度多样，但除了发夹结构的常见RNA特征 (RNA一侧 (3’端)有一个双核苷酸3’突出端，RNA另一侧 (5’端)有一个磷酸基团)之外，目前没有发现可能指导切割的特定序列或额外的局部结构基序。

为了发现这些特征，Lee等人的第一项研究使用了前体miRNA处理方法，其中对RNA进行了工程改造，以随机分配前体miRNA上茎的序列。然后，作者通过对Dicer切割后产生的小RNA产物进行测序，测试RNA处理效率。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。该核苷酸基序位于切割位点周围，由一对鸟嘌呤 (G，RNA中发现的四个主要碱基之一)、一对嘧啶 (Y，可以是胞嘧啶和尿嘧啶碱基之一)和一对错配 (M)核苷酸对组成。当将该基序工程改造到随机的短发夹RNA上时，RNA的Dicer加工过程与缺乏该基序的RNA相比明显增加。

与切割前状态下的结构 (其中解旋酶结构域与前miRNA环结合并使前miRNA远离催化中心)相比，切割前状态下的结构中不可见解旋酶结构域。这一观察结果表明，解旋酶结构域在切割状态下变得非常灵活 (图1)。它可能不再与前miRNA结合，使前miRNA能够移动到有切割能力的位置。此外，在该位置，Dicer的dsRBD识别GYM基序，并稳定RNA和Dicer之间的相互作用，从而实现更高效的切割反应。这种分子相互作用解释了GYM基序的进化保守性。

虽然在不同的生物和不同的状态下可以获得几种Dicer结构，但关于这台迷人的分子仍有许多未知之处。首先，也是最有趣的是，切割后状态下裂解产物是如何释放的？假设存在一种装载RISC的复合物，由Dicer、其配偶体蛋白TRBP和切割后接管Dicer miRNA处理的Argonaute蛋白组成。该步骤显然需要裂解产物的主要结构重排和远距离移动。在这样一个复合体中，解旋酶域可能会变得更加静态，而TRBP效应也可能导致结构重排。值得注意的是，两项研究都强调了与Dicer中显著结构位置相对应的癌症相关突变。例如，在平台域中编码容纳前体miRNA 5’末端的序列经常在癌症中发生突变。此外，dsRBD中的癌症相关突变导致Dicer与GYM基序的结合减少。

结论及展望

人们很容易推测，存在更多这样的突变，它们不仅可能影响Dicer的切割，还可能影响后期的切割步骤。这种突变对细胞生长和癌症发展的后果是什么？整体miRNA水平的降低仅仅是由于加工受损，或者甚至可能存在加工前miRNA特异性效应？未来的机制和结构研究将为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/d41586-023-00478-3

转自：“生物医学科研之家”微信公众号

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