核糖体的生物生成是一个非常复杂及高度耗能的分子过程，在真核细胞中超过300个因子（包括蛋白质和snoRNA）参与核糖体亚基的生物生成。它们参与了rRNA的转录、加工、修饰及折叠，80种核糖体蛋白的修饰及组装，以及核糖体前体颗粒的构象成熟及跨核膜转运等一系列过程。临床研究发现人源的核糖体组装因子或核糖体蛋白发生突变与一类罕见的遗传发育疾病（统称为Ribosomopathy）有直接关系，病人具有不尽相同的临床表型，但都展现出典型的幼儿发育障碍及较高的血液癌症的罹患率(Narla and Ebert, 2010)。除此之外，核糖体生物生成的异常高调活性也是很多类型癌症细胞的一个重要特征(Penzo et al., 2019)，例如今年5月的一篇研究工作发现循环肿瘤细胞中具有显著高核糖体生成活性的细胞亚群，并且与肿瘤的转移和侵染能力正相关(Ebright et al., 2020)。
近年来随着冷冻电镜技术的发展，核糖体组装的研究获得了巨大的突破，酵母的大小亚基在不同细胞空间（核仁、核质、细胞质）以及不同组装阶段的前体复合物高分辨结构得到了解析，数目众多的组装因子的分子功能获得了一定程度的解释。相比之下，人源核糖体的组装研究滞后很多，大量的组装因子信息仅限于基于酵母同源蛋白的功能注释，少量组装因子的表达调控在肿瘤研究的框架下得到了初步的表征。真核细胞的核糖体组装被认为是一个非常保守的分子过程，但是人源细胞的核糖体生成因子的数量和种类与酵母都具有一定程度的差别，尚不清楚在何种程度上、哪些组装步骤两者具有显著的不同。目前人源小亚基的细胞质内前体的结构已经得到了解析(Ameismeier et al., 2018)，但人源大亚基前体的结构信息还未见报道。
本研究以人源大亚基的出核转运接头蛋白NMD3为诱饵，通过在其C端加入亲和标签纯化出了一系列出核前后的大亚基组装前体内源复合物，并通过冷冻电镜解析了四个不同前体复合物的高分辨率结构。研究在这四个结构中发现了十余个人源组装因子，包括NMD3、GTPBP4、LSG1、EIF6、MRTO4、ZNF622、ZNF593、LLPH、RLP24、GNL2、TMA16、PA2G4及一个未知蛋白protein X，为进一步研究这些因子准确的分子功能和机制提供了结构基础。例如，TMA16是一个保守的蛋白，但并未在之前发表的酵母大亚基前体复合物中发现，表明核糖体组装过程中蛋白因子的结合时可能受到精密的调控。再如，PA2G4（Ebp1）具有不同的剪切形式，是一个多功能的蛋白因子。以往研究表明PA2G4在几种肿瘤的发生发展中参与了ERBB3调控的信号通路。本项研究和德国Spahn组尚未正式发表的PA2G4结合翻译过程中的80S核糖体的研究工作(Kraushar et al., 2020)则表明此因子至少在核糖体的组装和蛋白质的翻译中都具有明确的分子功能，暗示之前的工作有可能并不是直接效应。
结构分析表明出核前后大亚基前体主要结构变化位于两个重要的功能中心（肽酰转移酶中心以及新生肽链通道），其中NMD3和GTPBP4-NTD主要参与了肽酰转移酶中心的大尺度rRNA构象变换；GTPBP4与ZN622的C端则影响了肽链出口通道的细微构象成熟。总之，这项工作展示了核糖体大亚基成熟过程中其功能中心的连续构象变化，以及顺序结合的组装因子可能的分子机制。此项工作整体结论表明人源核糖体大亚基在出核前后的结构和机制都与酿酒酵母高度相似，某些人源组装因子具有一些种属特异性的结构特征，暗示酵母和人源细胞的核糖体生物生成的差异更多的集中于细胞核内的早中期。本研究作为目前人源核糖体大亚基前体的唯一结构工作，为进一步研究高等真核细胞的核糖体组装以及相关疾病提供了重要的结构基础。
四个人源核糖体大亚基前体复合物结构
高宁是本文的通讯作者，高宁实验室2015级博士研究生梁笑濛为本文第一作者。交联质谱相关实验由北京生命科学研究所董梦秋研究员和博士生左美晴完成。本项工作受到国家自然科学基金委员会和科技部的项目资助，以及北京大学冷冻电镜平台、高性能计算中心、生科院仪器中心、膜生物学国家重点实验室的支持。
参考文献：
Ameismeier, M., Cheng, J., Berninghausen, O., and Beckmann, R. (2018). Visualizing late states of human 40S ribosomal subunit maturation. Nature 558, 249-253.
Ebright, R.Y., Lee, S., Wittner, B.S., Niederhoffer, K.L., Nicholson, B.T., Bardia, A., Truesdell, S., Wiley, D.F., Wesley, B., Li, S., et al. (2020). Deregulation of ribosomal protein expression and translation promotes breast cancer metastasis. Science 367, 1468-1473.
Kraushar, M.L., Krupp, F., Turko, P., Ambrozkiewicz, M.C., Sprink, T., Imami, K., Vieira-Vieira, C.H., Schaub, T., Harnett, D., Münster-Wandowski, A., et al. (2020). The architecture of protein synthesis in the developing neocortex at near-atomic resolution reveals Ebp1-mediated neuronal proteostasis at the 60S tunnel exit. bioRxiv, 2020.2002.2008.939488.
Liang, X., Zuo, M.-Q., Zhang, Y., Li, N., Ma, C., Dong, M.-Q., and Gao, N. (2020). Structural snapshots of human pre-60S ribosomal particles before and after nuclear export. Nature communications 11, 3542.
Narla, A., and Ebert, B.L. (2010). Ribosomopathies: human disorders of ribosome dysfunction. Blood 115, 3196-3205.
Penzo, M., Montanaro, L., Trere, D., and Derenzini, M. (2019). The Ribosome Biogenesis-Cancer Connection. Cells 8.
