人类剪切因子Im复合物识别前体mRNA的结构基础
真核生物前体mRNA剪切与多聚腺嘌呤化过程由前体mRNA及剪切与多聚腺嘌呤化特异性因子(CPSF)、剪切激活因子(CStF)、剪切因子(CF I、CF II)、多聚腺嘌呤聚合酶(PAP)以及多聚腺嘌呤结合蛋白II(PAB II)协同完成。中国科学技术大学滕脉坤教授及牛立文教授研究组于2011年先后完成了人类前体mRNA剪切因子I(CF I)中25KDa亚基与68KDa亚基RRM结构域间蛋白质-蛋白质复合物及上述复合物与mRNA“UGUAA”序列的蛋白质-RNA复合物的晶体结构解析,并且在结构信息的指导下开展了一系列复合物功能研究,相关研究结果发表在2011年7月的Cell Reaserch杂志上。
该研究组运用分子生物学的方法详细研究了人源前体信使RNA剪切因子-Cleavage Factor Im(CF Im)二元复合物的两个亚基(CF Im25和CF Im68)之间的相互作用区域。在此基础上,体外重组表达和纯化了该复合物,并利用北京同步辐射装置生物大分子实验站分别获得该复合物2.7埃分辨率晶体结构及结合RNA的2.9埃分辨率三元复合物晶体结构。
结构分析表明,CF Im68亚基通过其RNA recognition motif(RRM)结构域以一种全新的模式结合CF Im25亚基形成四聚体。结合RNA的三元复合物晶体结构揭示了CF Im复合物如何以四聚体形式同时结合两段具有序列特异性的RNA,从而在前体信使RNA加工这一关键的生物学过程中发挥重要功能。在结构生物学研究的基础上,该研究组采用多种生物学实验手段,包括免疫荧光,GST-pull down,等温微量热,表面等离子共振等,对该复合物结合RNA的分子机制和动力学性质进行了深入的研究。CF Im25和CF Im68均直接结合前体信使RNA以达到高亲和力。对多种生物的信使RNA进行生物信息学分析揭示了CF Im复合物结构与生物体内前体信使RNA序列之间的相互适应性。
该研究成果首次报导了人源Cleavage Factor Im二元复合物的结构,揭示了CF Im25和CF Im68亚基如何相互作用并形成具有生物学功能复合物的结构细节;证实了CF Im复合物能形成四聚体这一最新发现在结构上的正确性。结合RNA的三元复合物晶体结构揭示了CF Im复合物识别其特异性底物RNA序列(UGUAA)的分子机制和可能的前体信使RNA构象;CF Im25亚基识别特异性底物序列,CF Im68可结合特异性底物序列的5’端序列,二者形成复合物后可大大增强对其底物亲和力以促进前体信使RNA加工。另外还发现CF Im25亚基结合CF Im68亚基可通过稳定其底物结合面的构象以帮助CF Im68亚基结合RNA;CF Im68的RRM结构域是通过loop3同时结合蛋白和RNA;前体信使RNA的二级结构对CF Im25的结合具有抑制作用,而CF Im68亚基可解除该抑制。综上,该课题组的研究成果为进一步深入研究CF Im复合物的功能提供了重要的结构生物学基础,同时对RRM结构域这一广泛存在于生物体内的蛋白结构域如何识别蛋白和RNA的分子机制提供了新的信息和启示。
发表文章:Heng Li, Shuilong Tong, Xu Li, Hui Shi, Zheng Ying, Yongxiang Gao, Honghua Ge, Liwen Niu*, Maikun Teng*,Structural basis of pre-mRNA recognition by the human cleavage factor Im complex, Cell Research, 2011, 21:1039-1051.