一种迷你发夹状新生肽独特的翻译终止阻断机制被揭示

为探究核糖体停滞机制，研究人员筛选未知核糖体停滞肽，发现 PepNL 和 NanCL，揭示其独特机制，意义重大。

　　在微观的细胞世界里，蛋白质的合成如同一场精密的 “分子工厂” 运作，而核糖体则是这座工厂中至关重要的 “工人”。它们按照 mRNA 的指令，将一个个氨基酸组装成蛋白质。然而，这个过程并非总是一帆风顺。近年来，科学家们发现，新生多肽链（nascent peptide）在核糖体隧道内有时会引发翻译困难，出现 “翻译停滞（translation arrest）” 现象。这一现象就像是工厂里的生产线突然卡顿，不仅影响蛋白质的正常合成，还可能与细胞的生存策略息息相关。

目前，虽然已经发现了一些核糖体停滞肽（RAPs），但对于它们的作用机制以及翻译调控的整体情况，科学家们仍知之甚少。而且，现有的研究大多局限于典型例子，对于翻译停滞机制的系统理解还存在很大的空白。在这样的背景下，来自日本东京大学、东京理科大学等机构的研究人员开展了一项深入研究，试图揭开这一神秘领域的面纱。该研究成果发表在《Nature Communications》上，为我们理解蛋白质合成的调控机制提供了新的视角。

研究人员为了全面探究小开放阅读框（sORFs）是否具有 RAP 活性，综合运用了多种技术方法。其中，冷冻电镜（cryo-EM）技术发挥了关键作用，它能够让研究人员在接近原子分辨率的水平上观察核糖体的结构，从而深入了解翻译停滞的分子机制。此外，质谱分析（MS）和蛋白质组学分析也不可或缺，这些技术帮助研究人员鉴定和分析新生肽，确定它们是否能够诱导翻译停滞。

研究结果如下：

• 筛选未表征的核糖体停滞肽：研究人员通过过表达表型筛选未表征的核糖体停滞肽。他们发现，过表达已知的 RAPs 如 TnaC 和 SecM 会抑制大肠杆菌细胞生长，基于此推断过表达诱导的细胞毒性可作为 RAP 活性的指标之一。在分析了 38 个候选 sORFs 后，发现 18 个 sORFs 诱导细胞生长抑制。进一步通过比较定量蛋白质组学分析和 LC-MS/MS 测量肽基 - tRNA 分子，最终确定 pepNL 和 nanCL 编码可在终止密码子处诱导翻译停滞的 RAPs。
• PepNL 停滞核糖体的结构：研究聚焦于 PepNL，发现其编码的 14 个氨基酸的 ORF 可诱导强烈的翻译应激反应。通过冷冻电镜分析，研究人员发现新生的 PepNL 肽在核糖体隧道入口附近形成独特的 “迷你发夹” 构象，这种构象使 PepNL 的 N 端朝向肽基转移酶中心（PTC），导致 C 端扭曲，进而与释放因子 2（RF2）的 GGQ 基序发生空间冲突，抑制肽的释放，阻碍翻译终止。
• RF2 的构象重排：在 PepNL 停滞的核糖体中，RF2 虽然能识别 UGA 终止密码子且结构域 III 会延伸，但与经典终止复合物相比，其顶端环的构象发生了显著变化，整个结构域 III 也向 L1 茎移动。这种构象变化使 RF2 转变为无活性状态，进一步证实了 PepNL 通过与 RF2 的空间冲突抑制翻译终止的机制。
• 终止密码子通读作为 PepNL 翻译停滞的抑制机制：研究发现，PepNL 的 UGA 终止密码子在翻译过程中起着重要作用。色氨酰 - tRNA^Trp（Trp - tRNA^Trp）可诱导 UGA 密码子的通读，从而抑制 PepNL 诱导的翻译停滞。在缺乏色氨酸时，野生型 pepNL 会导致核糖体强烈停滞；而在有色氨酸存在时，核糖体可通读 UGA 终止密码子并在下游终止密码子处停滞。

研究结论和讨论部分指出，该研究发现了大肠杆菌中的 PepNL 和 NanCL 编码核糖体停滞肽，并成功解析了 PepNL 停滞核糖体的冷冻电镜结构。PepNL 通过独特的 “迷你发夹” 构象抑制翻译终止，且其翻译停滞不需要 “停滞诱导剂”，而是通过 Trp - tRNA^Trp介导的终止密码子通读来抑制。这一发现不仅揭示了一种全新的翻译停滞模式，还为理解翻译调控机制提供了重要线索。此外，研究还强调了倒数第二个氨基酸残基在抑制肽释放中的重要性，以及 PepNL 翻译对下游基因 pepN 表达的调控作用。然而，研究也存在一定的局限性，如对 RAP 活性的评估仅在标准实验室条件下进行，且未排除其他 sORFs 编码感官停滞肽的可能性。未来的研究可以进一步拓展这些方向，深入探索翻译调控的奥秘。

总之，这项研究为我们打开了一扇通往蛋白质合成调控机制的新大门，让我们对细胞内这一关键过程有了更深入的理解，为后续的相关研究奠定了坚实的基础。