Nature子刊植物分子生物学新突破：细胞普遍的调控机制

这涉及到被称为RNA编辑体的DYW脱氨酶结构域。DYW结构域改变叶绿体和线粒体中的信使RNA核苷酸，并包含一个锌离子，其活性由一种非常不寻常的机制控制。研究小组现在首次详细描述了这种机制。他们的研究被认为是植物分子生物学领域的突破，对生物工程具有深远的意义。

　　

所有植物细胞主要从它们所包含的两个细胞器获取能量——叶绿体(负责光合作用)和线粒体(负责将糖转化为能量的呼吸生化循环)。然而，植物细胞线粒体和叶绿体中的大量基因会出现缺陷，危及其功能。然而，植物细胞进化出了一种神奇的工具，叫做RNA编辑体(一种大型蛋白质复合体)来修复这类错误。它可以通过转化(脱氨)某些mRNA核苷酸来修饰由缺陷DNA产生的缺陷信使RNA。

植物细胞的自动纠错 

大约30年前，植物生理学家Axel Brennicke和其他两个研究小组同时发现了植物的自动纠错。这种机制将信使RNA中的某些胞苷核苷酸转化为尿苷，以纠正叶绿体DNA或线粒体DNA中的错误。因此，RNA编辑在植物的光合作用和细胞呼吸等过程中是必不可少的。多年后的进一步研究表明，一组具有DYW结构域的PPR蛋白在植物RNA编辑中起着核心作用。这些带有DYW结构域的PPR蛋白在细胞核中转录，并通过细胞迁移到叶绿体和线粒体。然而，它们在通往这些细胞器的路上是不活跃的。只有当它们进入细胞器后，它们才活跃起来，并在特定的mRNA位点上执行其功能。然而，这种激活是如何起作用的，至今仍是个谜。

这在试管里行不通 

多年来，这些dyw型PPR蛋白无法在实验室中合成，无法更深入地研究其功能和结构。直到现在，一个由结构生物学家和生物化学家Gert Weber博士领导的德国-日本团队在柏林Helmholtz-Zentrum和Freie Universit?t的联合蛋白质晶体学小组成功地做到了这一点。

现在:解码关键蛋白质的三维结构 

Mizuki Takenaka教授的团队之前已经能够在细菌中产生DYW结构域。竹中自2018年以来一直在京都大学进行研究，此前曾在德国乌尔姆的阿克塞尔·布伦尼克实验室工作。Tatiana Barthel(格瑞夫斯瓦尔德大学，现在HZB)随后能够生长出第一个DYW结构域的蛋白质晶体。现在已经在BESSY II的MX束线上分析了大量这种精细晶体，从而可以解码DYW域的三维结构。“感谢共同位于HZB和FU Berlin的联合研究小组，我们有能力在需要的时候非常快地测量光束时间，这是至关重要的，”负责BESSY II的MX光束线和该研究的合著者Manfred Weiss博士说。

激活机制发现 

这种三维结构实际上为研究DYW结构域的激活机制提供了重要线索，这种激活机制适用于所有植物。这是由于位于DYW结构域中心的锌原子可以像催化剂一样加速胞苷脱氨成尿苷。然而，要做到这一点，锌必须处于最佳位置。激活开关是由紧邻催化中心的一个非常不寻常的门控域提供的——结构分析表明，这个门控域可以承担两个不同的位置，从而开启或关闭酶。Weber解释说:“门域的运动调节了锌离子用于催化反应的程度。”

像剪刀一样的分子 

现在我们已经清楚了为什么在试管中让dyw型PPR蛋白与RNA反应一直很困难:这些PPR蛋白在理论上是不活跃的，需要激活。在植物细胞中，它们首先在细胞核中产生，然后很可能在灭活状态下迁移到细胞器中，在那里它们被激活。Weber说:“这是理想的，因为否则这些分子将在整个过程中活跃，以一种对细胞有害的不受控制的方式改变各种RNA分子。”

通用的修理工具 

这项工作是植物分子生物学的一个突破，因为它描述了叶绿体和线粒体的一个额外的复杂调控水平。这些结果对植物科学来说是基础性的，但它们有朝一日也可能在我们的日常生活中发挥作用。DYW结构域可能为C-to-U和U-to-C RNA的可控和位点特异性编辑提供有用的工具。这可能开辟新的生物工程和医学应用，比如在不改变细胞核DNA的情况下重新编程某些线粒体基因。

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