核糖体的结构与功能研究——2009年诺贝尔化学奖简介

2009年10月7日，瑞典皇家科学院宣布将今年的诺贝尔化学奖授予英国剑桥大学MRC分子生物学实验室科学家文卡特拉曼·拉马克里希南(VenkatramanRamakrishnan)，美国耶鲁大学科学家托马斯·施泰茨(ThomasA.Steitz)和以色列魏茨曼科学研究所科学家阿达·约纳特(AdaE.Yonath)，以表彰他们在核糖体结构和功能的研究方面所做的贡献．这三位科学家都是用X射线晶体学技术测定核糖体的高分辨率分子结构并研究其结构-功能关系而获此殊荣，并平分奖金．核糖体是细胞内最重要的细胞器之一．在生物体将DNA所包含的基因信息翻译为蛋白质的过程中，RNA聚合酶域以DNA为模板合成mRNA(这一过程称为转录)，而核糖体在mRNA的指导下合成相应的蛋白质(这一过程称为翻译)．在翻译过程中，核糖体需要解读mRNA的密码子，招募相应的氨酰tRNA，并催化肽链的生成．2006年，美国斯坦福大学科学家科恩伯格因为对RNA聚合酶域的晶体结构和功能的研究做出重要贡献而荣获诺贝尔化学奖，而今年诺贝尔化学奖颁发给三位研究核糖体的结构生物学家，彰显了人们对这一领域的重视．1核糖体结构研究的历史从20世纪80年代探索核糖体亚基的结晶开始，到2000年获得原子水平的精细三维结构，经历了大约20年的艰苦历程．在这期间，Yonath，Steitz和Ramakrishnan各自领导研究组独立地解析了核糖体30S和50S亚基的精细结构，阐释了其作为蛋白质翻译机器的工作机理，发现核糖体作为核糖酶的新功能．这些研究成果不仅对在分子水平了解生命机体产生与形成过程中一个基本环节的分子机理具有重大意义，而且为设计和研发新型抗生素提供了新方向新途径，对人类的健康与生命保障具有重要价值．核糖体是细胞中最复杂的分子机器之一．原核生物的核糖体的分子质量约为2.6Mu，而真核生物核糖体的分子质量可高达4.5Mu．原核生物的核糖体的沉降系数为70S，它们含有两个亚基，其沉降系数分别为50S和30S．其中，30S亚基的功能主要是介导mRNA的密码子与tRNA的反密码子之间的作用以确保翻译过程的高保真度，而50S亚基的功能包括蛋白质合成的起始、肽链的延长与终止．30S亚基包含约20个蛋白质分子和一个1600碱基的rRNA；50S亚基包含约33个蛋白质分子和2个rRNA分子，分别为2900和120碱基．核糖体的化学性质很不稳定，即使在细胞内正常生理条件下也会很快降解．所以人们一直认为它们不可能被纯化、结晶．Yonath首先开展对核糖体的晶体学研究，是核糖体的结构与功能研究———2009年诺贝尔化学奖简介胡永林*(中国科学院生物物理研究所，北京100101)摘要一系列高分辨率的核糖体及其30S、50S亚基的晶体结构揭示了这个极其复杂的蛋白质翻译机器的重要作用机理，对在分子水平上了解生命机体产生和形成的一个基本环节(蛋白质合成)具有重大意义，同时为新型抗生素的设计与研发开辟了新方向新途径，对人类健康与生命保障具有重要作用．关键词核糖体，结晶，结构，功能学科分类号Q71DOI:10.3724/SP.J.1206.2009.00607生物化学与生物物理进展ProgressinBiochemistryandBiophysics2009,36(10):1239~1243*通讯联系人.Tel:[phone],E-mail:[e-mail]收稿日期：2009-10-15，接受日期：2009-10-16生物化学与生物物理进展Prog.Biochem.Biophys.2009;36(10)Fig.1The50Sand30Sribosomalsubunitsstructuresandthe70Sribosomestructure图1核糖体50S亚基(左)、30S亚基(中)以及全核糖体(右)的结构这一重要大分子复合物结构研究的开拓者．她选作研究对象的是从嗜热菌中纯化得到的核糖体．1980年，Yonath研究组[1]报道了Bacillusstearothermophilus(现称为Geobacillusstearothermophilus，嗜热脂肪地芽孢杆菌)核糖体50S亚基的结晶．1987年他们又报道了可以衍射到6魡分辨率的50S亚基晶体[2]．同年，另一个研究组报道了30S和70S的Thermusthermophilus核糖体的结晶[3]，而Yonath研究组也大约在同时报道了T.thermophilus核糖体的结晶[4]．1991年，Yonath研究组首先得到了高分辨率的核糖体晶体———3.0魡分辨率的Haloarculamarismortui核糖体50S亚基晶体[5]．其后的高分辨率晶体结构研究大多集中在T.thermophilus和H.marismortui核糖体．从得到核糖体晶体到收集到可用的衍射数据，数个研究组花费了十余年时间．核糖体晶体有诸多不适合结构研究的性质，例如：极其脆弱，难以处理；对X射线损伤非常敏感；晶体之间的同晶性低；晶体经常长成薄片状，厚度只有几个微米；以及孪晶．除此之外，核糖体结构解析中的相位问题也很突出．现在最常见的获得实验相位的方法是用硒代甲硫氨酸引入重原子(硒)以获得反常散射信号并不适合于核糖体的结构解析，因为核糖体分子太大，而硒原子的反常散射信号很弱．因为同样的原因，用常见的重原子化合物制备的衍生物也不足以提供可用的相位信息而必须使用重原子簇合物制备的衍生物．成功地用于核糖体结构解析的簇合物主要是钨(如[P2W18O62]6原)和钽(如Ta6Br14)[6]．这些多原子的簇合物作用如同一个“超级”重原子，提供比同样数量的单个重原子强得多的相位信息．20世纪90代以来一系列大分子晶体学技术方面的进展为核糖体结构解析提供了重要的基础．例如，在液氮温度下收集衍射数据极大地提高了核糖体抗辐射性能，而核糖体也是最早应用这一技术的晶体[7]．1991年，Yonath研究组报道了在3魡分辨率下对H.marismortui核糖体50S亚基的结构尝试性初步分析，这是这个领域里的一个重要突破[5]．但相位问题的完全解决是由Steitz研究组完成的．他们用核糖体的电镜结构计算出低分辨率相位，结合MIRAS相位信息，得到了H.marismortui核糖体30S亚基的9魡分辨率电子密度图，这个密度图显示了可辨认的RNA密度特征，这表明他们的实验方法可以最终解析核糖体的结构[6]．次年，Ramakrishnan研究组和Yonath研究组分别独立报道了T.thermophilus核糖体30S亚基的5.5魡和4.5魡分辨率结构[8,9]．2000年，一系列高分辨率核糖体晶体结构被发表(图1)．Steitz研究组[10]报道了H.marismortui核糖体50S亚基的2.4魡分辨率结构，Ramakrishnan研究组报道了T.thermophilus核糖体30S亚基的3.0魡分辨率结构[11]，而Yonath研究组[12]也报道了同一个分子的3.3魡分辨率结构．2005年，美国加州大学的一个研究组报道了大肠杆菌核糖体全分子(70S)的3.5魡分辨率结构[13]．这些高分辨率的晶体结构为核糖体酶学机理的研究提供了坚实的基础．头部30S50SL9L15忆3忆EPAL11ASFCPCPL1L7/L12柄1240··胡永林：核糖体的结构功能研究———2009年诺贝尔化学奖简介2009;36(10)Ramakrishnan研究组的研究结果还表明，在正确的氨酰tRNA以氨酰tRNA/EF-Tu/GTP三元复合物形式与带有mRNA的核糖体结合时，伴随着16SrRNA上G530、A1492、A1493碱基的位移，30S亚基也由开放构象变为闭合构象，同时GTP被EF-Tu水解．而反密码子不正确的氨酰tRNA结合时，上述的核糖体构象变化和GTP水解不会发生．而且，在氨酰tRNA与核糖体的结合／解离的平衡中，不正确的氨酰tRNA有更大的解离速度．所以，核糖体可以依靠氨酰tRNA解离速度的差别和GTP是否水解所带来的自由能变化的差别，双重保证翻译过程的保真性(图3)．核糖体结构和密码子-反密码子作用机理的确定也可以解释为什么某些突变会增加核糖体翻译错误．这些被称为ribosomalambiguitymutations(ram)的突变通常发生在S4和S5蛋白上，它们稳定30S亚基的闭合构象，从而降低了翻译过程的保真性．而S12蛋白上的突变通常使30S亚基开放构象更稳定，增强了翻译的保真度．2核糖体结构与酶学机理———核糖体新功能2.1翻译过程的高保真性和密码子第三位碱基的摇摆性通过对DNA双螺旋结构的测定以及对生命的遗传过程的研究，人们早已经认识到合成蛋白质的过程具有非常高的保真度，但是核糖体又在保证不发生氨基酸替换的前提下容忍密码子的第三位碱基有“摇摆性”．Ramakrishnan研究组对核糖体30S亚基的结构分析揭示了这一重要性质的结构基础．这个研究组获得了30S核糖体与一段mRNA以及相应的tRNAphe反密码子的复合物结构，他们发现，在这个复合物中，核糖体16SrRNA的三个完全保守的碱基———G530，A1492和A1493的位置发生改变，并且分别与第一和第二个密码子-反密码子对形成氢键．这些氢键起到了监视mRNA的密码子是否与正确的反密码子配对的作用．而第三个密码子-反密码子对却没有受到类似的监视(图2)．这个结构特征完满地解释了核糖体翻译过程中的高保真性和第三位碱基的摇摆性．(a)(b)(c)Fig.2Thegeometryofthefirstandthesecondcodon鄄anticodonpairingsismonitoredbybasesfrom16SrRNA,whilethethirdsuchpairingwasnotmonitored,explainingthewobblehypothesis(From)图2翻译过程的高保真性及密码子第三位碱基摇摆性的结构基础(a)第一个密码子-反密码子对由密码子U1和反密码子A36形成，这个对子的几何形状被16SrRNA的碱基A1493监视．(b)第二个密码子-反密码子对被G530和A1492监视.(c)第三个密码子-反密码子对没有受到类似的监视(图片摘自).反密码子A36反密码子A35反密码子G34密码子U1密码子U2密码子U316SRNAA149316SRNAA149216SRNAG530,C51816SRNAG530C51816SRNAC1054S12Ser50S12P48Fig.3Theclosingofthe30Ssubunituponthebindingofcognateaminoacyl鄄tRNAs(From).图3正确的氨酰tRNA的结合伴随着30S亚基的闭合和GTP的水解S4和S5蛋白上的突变稳定30S亚基的闭合构象从而降低翻译过程的保真性；S12蛋白上的突变稳定S30亚基的开放构象从而增强翻译过程的保真性(图片摘自)．肩H18/530loopS12RestrictivemutationsA位点S4S5H27H44ram1241··生物化学与生物物理进展Prog.Biochem.Biophys.2009;36(10)Fig.5Bindingsofvariouscompoundsatthepeptidyltransferasesiteof50SsubunitofH.marismortuiribosome(From)图5H.marismortui核糖体50S亚基与多种化合物的作用这些化合物大都结合在肽键合成位点。右上方的圆环内显示这些化合物之间的相对位置，右下方的小圆环显示这些化合物的分子大小(图片摘自).2.2肽键的合成与核糖体的核糖酶性质自从核糖酶(riboz