2020年11月11日,我院任艾明课题组与奥地利因斯布鲁克大学Ronald Micura教授课题组合作在Nucleic Acids Research杂志上发表题为“Structural distinctions between NAD+riboswitch domains 1 and 2 determine differential folding and ligand binding”的研究论文。
核开关(Riboswitch)是一类保守的非编码RNA分子,位于mRNA 5' UTR区,能够通过识别特定配体如小分子或代谢物而调控下游基因的表达。核开关包含两个功能模块:识别结构域(Sensing Domain)和表达平台(Expression Platform),识别结构域能够特异性性识别并结合特定的配体,从而引起整个核开关包括表达平台构象变化,进而调控下游相关基因的表达。目前已有超过40种核开关被鉴定并报道,配体种类涵盖了金属离子,氨基酸,辅酶以及嘌呤等多种类型的小分子。
烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD, Nicotinamide Adenine Dinucleotide),是生物体内的一类重要代谢物,其氧化形式为NAD+,还原形式为NADH。因为良好的电子转移特性,NAD+作为辅酶因子参与细胞内很多重要的氧化还原反应。2019年耶鲁大学的Ronald Breaker教授课题组在nadA基因上游发现了一类保守的能够特异性识别NAD+的RNA结构域,即nadA结构域,也称为NAD+核开关【1】。与其他核开关不同的是,NAD+核开关包含有两个串联的序列相近的独立结构单元Domain1和Domain 2,序列分析表明调控基因表达的表达平台变构序列(SD序列)位于Domain2中,而体外结合实验却发现只有Domain1能够识别NAD+。因而,Domain1与Domain2如何通过与NAD+相互作用调控nadA基因的表达,进而调控NAD+的代谢等这些在新型核开关研究中出现的新问题急需进一步阐明。
Figure 1.NAD+核开关三维结构
(A) NAD+核开关Domain1结合NAD+的复合物结构;(B) NAD+核开关Domain1结合NAD+的复合物结构。
为了阐明NAD+核开关识别配体的机制以及两个串联Domain对核开关发挥功能的意义,任艾明课题组利用X-射线晶体学的方法,分别解析了Domain1 (Figure 1A)和Domain2(Figure 1B)结合NAD+的复合物结构。研究结果发现,Domain1和Domain2在三维空间上采用类似的折叠方式,都能够形成NAD+识别口袋,并且在识别口袋中,NAD+分子中的ADP(腺嘌呤二核苷酸)结构部分被RNA分子通过氢键作用、堆积作用以及金属离子的介导特异性识别,而NMN(烟酰胺)结构部分飘在结合口袋之外,与RNA分子主体部分没有直接相互作用(Figure 2)。
Figure 2.NAD+核开关识别NAD+作用图
(A)NAD+核开关Domain1识别NAD+作用图;(B)NAD+核开关Domain2识别NAD+作用图。
Domain1和Domain2在三维结构及识别NAD+模式上如此相似,又要如何阐释它们与NAD+亲和力之间的差异呢?通过进一步结构比对,我们发现,Domain1的两个环区之间可以形成远程配对作用,而Domain2的两个环区之间无法形成对应的远程相互作用,这可能是导致两个Domain与NAD+之间亲和力差异的主要因素。随后,我们利用ITC实验等方法证实了我们的猜测。进一步通过荧光动力学分析等方法,我们在实验中观测到Domain1可以在低浓度的NAD+存在下与NAD+结合,而Domain2需要在高浓度(mM级别)的NAD+存在下才能与NAD+结合,进而诱导NAD+核开关表达平台构象的变化,抑制与NAD+合成相关的基因的表达。基于以上实验结果,我们构建了串联结构的NAD+核开关的调控模型(Figure 3),即Domain1可以低浓度时结合NAD+,传递抑制信号;而当细胞内NAD+浓度达到mM级别时,Domain2对NAD+进行响应,通过与NAD+的结合抑制核糖体与SD序列结合从而抑制翻译。
Figure 3.NAD+核开关的调控模型。
此项研究通过解析NAD+核开关的三维空间结构,并提出串联结构的NAD+核开关精密调控基因表达的模型,为进一步探讨复杂RNA分子对重要生命过程的调控机制提供了重要的理论依据和结构基础。
该课题得到了国家自然科学基金(31870810,91940302,91640104,31670826),浙江省****基金(LR19C050003)以及浙江大学中央高校基金科研项目业务费(2017QN81010)等项目的资助。浙江大学生命科学研究院博士生陈豪和许笑晨为本文的共同第一作者。
参考文献:
1.Malkowski SN, Spencer TCJ, Breaker RR:Evidence that the nadA motif is a bacterial riboswitch for the ubiquitous enzyme cofactor NAD.RNA2019,25:1616-1627.
原文链接:https://doi.org/10.1093/nar/gkaa1029
删除或更新信息,请邮件至freekaoyan#163.com(#换成@)
生研院任艾明实验室在Nucleic Acids Research报道新型核开关NAD+核开关三维结构及调控机制
本站小编 Free考研考试/2021-04-05
相关话题/结构 基因 序列 实验 图片
生科院程磊实验室在Science Advances发表论文
自工业革命以来,人类活动不断推动对化石燃料消耗、加速森林砍伐步伐、提升对人工合成氨需求,进而导致温室气体排放持续增加,改变大气化学组成,全球气候正发生显著变化。全球气候变化一方面导致冰川消融、海平面上升、极端气候频发,严重威胁人类赖以生存的生态系统;另一方面,气候变化可能深刻改变生态系统的结构和功能 ...浙江大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-04-05浙江大学全球油菜基因资源数字化利用交互式网站上线
近日,浙江大学作物所发布了全球油菜基因资源数字化利用数据库与交互式网站BnaSNPDB,该网站的源代码、利用说明以及简明语音教程的链接等详尽信息于2020年9月30日在线发表于计算与结构生物领域具有较高影响力的ComputationandStructuralBiotechnologyJournal杂 ...浙江大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-04-05国际节肢动物基因组大会首设中国专场由浙大组织
2020年7月21—23日,国际节肢动物基因组会议(ArthropodGenomicsSymposium2020)在线上召开。疫情没有阻挡科学家的热情,全球1300位****参与了这次颇有历史意义的高层次学术云端会议。会议由i5K(SequencingFiveThousandArthropodGen ...浙江大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-04-05杨国利团队发表基于光控TiO2纳米点系统呈递LRP5基因促进种植体骨结合的研究
低密度脂蛋白受体相关蛋白5基因(low-densitylipoproteinreceptorrelatedprotein5,LRP5)的变化可以引起患者的骨质密度比正常人群高出5倍以上,表现出骨质密度增高症。然而鉴于它高达4803bp的长度,普通的转染效果较差。尤其是对于细胞膜片,因其含有丰富的细胞 ...浙江大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-04-05药学院彭丽华副教授、高建青教授在Science Advances报道了基于转基因细菌纳米囊泡的程序性抗肿瘤新策略
2020年7月3日,ScienceAdvances在线发表了浙江大学药学院彭丽华副教授、高建青教授团队题为“Engineeringbacterialoutermembranevesiclesastransdermalnanoplatformsforphoto-TRAIL–programmedther ...浙江大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-04-05生研院姬峻芳实验室在Hepatology发文阐释miRNA/低氧信号通路在肝细胞癌介入治疗抵抗中的调控机制
2020年7月1日,我院姬峻芳教授实验室在Hepatology杂志在线发表题为“MiR-125bLossActivatedHIF1α/pAKTLoop,LeadingtoTrans-ArterialChemoembolizationResistanceinHepatocellularCarcinom ...浙江大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-04-05农学院叶恭银教授团队完成对重要寄生蜂蝶蛹金小蜂基因组染色体水平组装
膜翅目昆虫寄生蜂是自然界及农业生态系统中的重要天敌资源昆虫,它能成功寄生并杀死害虫,在害虫的自然控制中发挥有重要作用。金小蜂属下物种丰富度极高,全球范围内已知种达485个。蝶蛹金小蜂Pteromaluspuparum(Hymenoptera:Pteromalidae)为该属代表种。该蜂为内寄生蜂,生 ...浙江大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-04-05农学院李正和教授团队在Nature Plants发文发展无需转化的植物基因组编辑新方法
作为一项生命科学领域革命性工具,CRISPR/Cas9基因组编辑技术为植物生物学基础研究提供了简单高效的手段,但在作物遗传改良中应用仍受制于遗传转化和植物再生的技术瓶颈。传统上,CRISPR/Cas9等序列特异性核酸酶和选择标记基因需要借助农杆菌或基因枪介导的方式导入受体植物细胞,进行选择性培养和植 ...浙江大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-04-05生研院林世贤实验室在Nature Communications发文报道嵌合体翻译系统的开发及其应用 时间:2020年06月22日 访问次数:246
2020年6月22日,我院林世贤实验室在NatureCommunications上在线发表题为“ChimericdesignofPyrrolysyl-tRNAsynthetase/tRNApairsandcanonicalsynthetase/tRNApairsforgeneticcodeexpan ...浙江大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-04-05周杰实验室在PNAS发文解析紫霉素Viomycin抑制蛋白质翻译的作用机理
2020年4月27日,浙江大学生命科学研究院周杰实验室与加州大学SantaCruz分校RNA分子生物学中心的HarryNoller教授合作在国际著名学术期刊PNAS上在线发表了题为“TheStructuralBasisforInhibitionofRibosomalTranslocationbyVi ...浙江大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-04-05