Принципы сборки малых субъединиц миторибосом у эукариот

Nature, том 614, страницы 175–181 (2023 г.) Процитировать эту статью

8995 Доступов

4 цитаты

105 Альтметрика

Подробности о метриках

Митохондриальные рибосомы (миторибосомы) синтезируют белки, закодированные в митохондриальном геноме, которые собираются в комплексы окислительного фосфорилирования. Таким образом, биогенез миторибосом необходим для производства АТФ и клеточного метаболизма1. Здесь мы использовали криоэлектронную микроскопию для определения девяти структур нативных дрожжей и промежуточных продуктов сборки малых субъединиц миторибосом человека, освещая механистическую основу того, как ГТФазы используются для контроля ранних этапов формирования декодирующих центров, как опосредуются начальные события сворачивания и процессинга рРНК, и как миторибосомальные белки играют активную роль во время сборки. Более того, эта серия промежуточных продуктов двух видов с дивергентной миторибосомной архитектурой обнаруживает как консервативные принципы, так и видоспецифичные адаптации, которые управляют созреванием малых субъединиц миторибосом у эукариот. Выявив динамическое взаимодействие между факторами сборки, миторибосомальными белками и рРНК, которые необходимы для генерации функциональных субъединиц, наш структурный анализ дает представление о том, как молекулярная сложность и разнообразие могут развиваться в больших сборках рибонуклеопротеинов.

Миторибосома, присутствующая в митохондриях эукариотических клеток, транслирует митохондриальные мРНК, которые преимущественно кодируют компоненты комплексов окислительного фосфорилирования. Эта молекулярная машина включает рРНК (12S и 16S у людей и 15S и 21S у дрожжей), закодированные в митохондриальном геноме, которые связываются с преимущественно кодируемыми в ядре митохондриальными рибосомальными белками (митор-r-белками) в митохондриальном матриксе, образуя миторибосому (55S у человека и 74S у дрожжей). Биогенез миторибосомы требует транс-действующих факторов сборки, которые сопровождают сворачивание рРНК и направляют включение мито-r-белка2,3,4,5,6. Центральная роль миторибосом в клеточном метаболизме подчеркивается несколькими заболеваниями человека, вызванными мутациями либо в мито-r-белках, либо в факторах сборки6,7,8,9,10. Поэтому структурное понимание принципов сборки миторибосом имеет решающее значение для определения молекулярных основ этих процессов и связанных с ними заболеваний человека.

Хотя сборка больших субъединиц митохондрий широко изучалась в кинетопластидах7,8 и клетках человека9,10,11,12,13,14, наше структурное понимание сборки малых субъединиц митохондрий (mtSSU) до сих пор ограничено Trypanosoma brucei15,16, крайним проявлением пример с точки зрения эволюционного расхождения и поздних стадий сборки миторибосом млекопитающих17. В настоящее время нам не хватает фундаментальных знаний о начальных этапах сборки mtSSU у ключевых организмов, таких как Saccharomyces cerevisiae и Homo sapiens.

Несмотря на существенные структурные различия между рибосомами различных видов2,3,4,5,6,18,19,20,21, все системы сборки SSU должны преодолеть несколько общих препятствий сворачивания рРНК для производства функциональных субъединиц. К ним относится формирование декодирующего центра – ключевого функционального модуля ССУ, который должен формироваться регламентированным образом для генерации субъединиц, обладающих высокой точностью трансляции. Кроме того, необходимо создать 5'- и 3'-концы рРНК и интегрировать их в созревающую частицу. В то же время необходимо предотвратить преждевременное взаимодействие промежуточных продуктов сборки SSU со зрелыми большими субъединицами рибосом, чтобы обеспечить функциональный пул рибосом. Хотя в бактериальных и эукариотических системах были разработаны разные решения этих препятствий22,23, мало что известно о том, как дрожжевые и человеческие клетки достигают контроля над этими первоначальными этапами сборки и как эти системы эволюционировали, чтобы катализировать образование функциональных миторибосомальных SSU, которые структурно разнообразны. . Чтобы решить эту проблему, мы решили с помощью криоэлектронной микроскопии (крио-ЭМ) структуры с высоким разрешением шести нативных промежуточных продуктов сборки из клеток человека и трех нативных промежуточных продуктов сборки из дрожжевых клеток, выявив несколько фундаментальных принципов сборки mtSSU. Во-первых, поэтапная активность молекулярных переключателей контролирует ранние события сворачивания рРНК, которые закладывают основу для формирования функционального центра декодирования. Во-вторых, интеграция 3'-конца рРНК способствует уплотнению функционального ядра рРНК, причем каждая система дрожжей и человека разработала для этого разные решения. В-третьих, распознавание и процессинг 5'-пре-рРНК является уникальной особенностью пути сборки дрожжевого mtSSU и осуществляется с помощью различных факторов сборки. В-четвертых, консервативный фактор сборки управляет созреванием головного домена и предотвращает преждевременное взаимодействие мРНК и большой субъединицы митохондрий. Вместе эти принципы проливают свет на эволюцию путей сборки mtSSU и на то, как видоспецифичные адаптации используются для создания как молекулярной сложности, так и разнообразия.