王恩多院士再发文章 揭示苏氨酰-tRNA合成酶新特性

　　

　11月20日，国际学术期刊Nucleic Acids Research（《核酸研究》）在线发表了中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所王恩多研究组题为A minimalist mitochondrial threonyl-tRNA synthetase exhibits tRNA-isoacceptor specificity during proofreading 的最新研究成果。

　　氨基酰-tRNA合成酶(aaRS)催化蛋白质合成的第一步反应——氨基酸的活化反应，负责为蛋白质翻译提供正确的翻译原料，aaRS催化反应的速率(氨基酰化反应)和精确性(编校反应)调控整个翻译过程的效率和保真性。

　　绝大多数生物的线粒体中，同时包含解码亮氨酸密码子CUN (N: A, C, G, T)的tRNALeu(CUN)、UUR (R：A，G)密码子的tRNALeu(UUR)以及解码苏氨酸密码子ACN的tRNAThr2；而在极少数酵母线粒体中，tRNALeu(CUN)基因消失了，进化出了一个独特的tRNAThr(CUN)(tRNAThr1)，该tRNA具有2个限制特征：1) 该tRNA在反密码环第32位以及第33位插入了一个额外的U，因此，具有8个核苷酸的反密码环, 这是目前发现的非常特异的反密码环；2)该tRNA将CUN密码子编码为Thr而非Leu。此外，催化tRNAThr1以及tRNAThr2氨基酰化的aaRS—苏氨酰-tRNA合成酶(ScmtThrRS)在进化过程中丢失了编校结构域，只保留了氨基酰化结构域和tRNA结合结构域。因此，酿酒酵母线粒体内ThrRS/tRNAThr (ScmtThrRS)相互作用系统是进化过程中产生的非常独特的相互作用系统，关于其识别tRNAThr1的方式以及介导的翻译过程中的质量控制机理，尽管经过广泛研究，但却并不清楚。

　　王恩多研究组的副研究员周小龙等最新研究发现，ScmtThrRS可以误活化Thr的类似物Ser，tRNAThr2可以显著地促进ScmtThrRS的依赖tRNA的转移前编校；有趣的是，tRNAThr1却不具有该功能，因此，ScmtThrRS是至今第一次发现的具有tRNA等受体特异性编校的aaRS。研究组进一步研究了ScmtThrRS在氨基酰化以及编校反应中识别tRNAThr1，tRNAThr2的识别方式以及编校机理。此外，利用构建的酿酒酵母ScmtThrRS基因敲除株在体内研究发现，ScmtThrRS的氨基酰化结构域和tRNA结合结构域协同进化来识别特有的具有8个反密码环的tRNAThr1。这些研究结果确凿地说明，依赖tRNA的转移前编校发生在氨基酰化结构域，为阐明本领域的这一争论性问题提供了新证据与新视角。

　　该工作得到了国家基础研究基金、国家自然科学基金、中科院和上海市科委的资助。

 

示意图：该研究中涉及的tRNA及其酿酒酵母ThrRS。A．酿酒酵母线粒体tRNAThr1, tRNAThr2, tRNALeu(UUR)以及裂殖酵母线粒体tRNALeu(CUN)的二级结构图；B. 酿酒酵母细胞质ThrRS (SccytThrRS)及线粒体ThrRS (ScmtThrRS)的结构域构成。2种ThrRS的氨基酰化结构域以及C端tRNA结合结构域分别用黑色或灰色表示。

原文摘要：

A minimalist mitochondrial threonyl-tRNA synthetase exhibits tRNA-isoacceptor specificity during proofreading

Yeast mitochondria contain a minimalist threonyl-tRNA synthetase (ThrRS) composed only of the catalytic core and tRNA binding domain but lacking the entire editing domain. Besides the usual tRNAThr2, some budding yeasts, such as Saccharomyces cerevisiae, also contain a non-canonical tRNAThr1 with an enlarged 8-nucleotide anticodon loop, reprograming the usual leucine CUN codons to threonine. This raises interesting questions about the aminoacylation fidelity of such ThrRSs and the possible contribution of the two tRNAThrs during editing. Here, we found that, despite the absence of the editing domain, S. cerevisiae mitochondrial ThrRS (ScmtThrRS) harbors a tRNA-dependent pre-transfer editing activity. Remarkably, only the usual tRNAThr2 stimulated pre-transfer editing, thus, establishing the first example of a synthetase exhibiting tRNA-isoacceptor specificity during pre-transfer editing. We also showed that the failure of tRNAThr1 to stimulate tRNA-dependent pre-transfer editing was due to the lack of an editing domain. Using assays of the complementation of a ScmtThrRS gene knockout strain, we showed that the catalytic core and tRNA binding domain of ScmtThrRS co-evolved to recognize the unusual tRNAThr1. In combination, the results provide insights into the tRNA-dependent editing process and suggest that tRNA-dependent pre-transfer editing takes place in the aminoacylation catalytic core.