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Nucleic Acids Res:复旦大学党永军与上海药物所罗成共同揭示蛋白质翻译起始复合物EIF4A调控ATP水解

作者:党永军与罗成 发布时间:2015-10-16

2015年10月12日著名国际期刊《Nucleic Acids Research》在线发表复旦大学党永军研究组与上海药物所罗成研究组合作阐明蛋白质翻译起始复合物EIF4A调控ATP水解与RNA解旋偶联机制的研究成果。论文第一作者为上海药物所的卢俊彦博士以及复旦大学的蒋晨晓和李晓静同学,通讯作者为上海药物所药物发现与设计中心罗成研究员和复旦大学基础医学院生物化学与分子生物学系党永军教授。

蛋白质翻译的起始(Translation initiation)是蛋白质翻译的限速步骤,且绝大多数的翻译调控也主要针对翻译起始阶段。蛋白质翻译的起始依赖于翻译起始复合物eIF4F的形成。eIF4F由支架蛋白eIF4G、 帽子结合蛋白(Cap-binding protein)eIF4E以及RNA解旋酶 eIF4A组成。其中,真核翻译起始因子4A (Eukaryotic translation initiation factor 4A,eIF4A)属于DEAD盒家族的一个原型蛋白质,具有ATP水解酶和RNA解旋酶活性,是翻译起始复合物中唯一具有酶催化活性的可调节因子。

目前已经发现eIF4A在B细胞淋巴瘤、T细胞急性淋巴细胞白血病、宫颈癌、黑色素瘤、直肠癌和非小细胞肺癌等恶性肿瘤中均出现异常表达,且多种肿瘤对eIF4A的抑制剂表现出一定的敏感性。此外,研究发现eIF4A的表达也与乳腺癌和宫颈癌的恶性程度及预后有着很强的正相关。但是,由于目前实验手段的限制,难以研究eIF4AI的动态构象变化与催化功能的关系,故目前对eIF4AI的催化机理认识较少,尤其是eIF4AI催化ATP水解与RNA解旋偶联的机制尚不明确,并且无法解释为何某些保守基序的突变(如SAT基序)会导致ATP水解与RNA解旋的去偶联(Decoupling)。

上海药物所与复旦大学研究人员采用分子动力学模拟与生物实验相结合的手段,研究了eIF4AI的构象与功能循环,并首次揭示了eIF4AI两个保守结构域之间的柔性Linker区域在调控ATP水解与RNA解旋偶联中扮演的重要作用。常规分子动力学模拟结果显示,eIF4AI两结构域紧密靠近的构象(Closed conformation)可以被ATP或ADP+Pi的结合所稳定。然而,Pi释放后的ADP结合状态却导致eIF4AI整体结构发生变化,不能稳定在Closed构象。

这一模拟结果成功再现了前期研究所报道的eIF4AI可以感受不同的核苷酸状态,从而产生构象变化这一特性。进一步的模拟与实验研究发现连接eIF4AI两个结构域的Linker区域在其ATP水解偶联的RNA解旋活性中扮演着重要而多样的角色。一方面,Linker区域与eIF4AI两个结构域形成的疏水核心通过延缓Pi的释放,防止eIF4AI无效的水解循环,保证ATP水解与RNA解旋的偶联;另一方面,Linker区域对eIF4AI的酶活性还具有自抑制的作用,而这种自抑制作用可能对eIF4AI的翻译起始功能具有重要意义。鉴于DEAD盒家族成员的高度保守性,这一发现对进一步研究其他DEAD盒家族蛋白质的功能也具有重要指导意义。


图:A.分子动力学模拟发现,eIF4AI在atp和ADP+Pi结合状态下,Linker区域主链原子RMSD值随时间的波动。RMSD值增大的时段代表了Linker区域的瞬时构象波动;B.eIF4AI结合ADP+Pi时,模拟轨迹的平均构象与950 ns处Linker波动构象时,磷酸释放通道的开放情况。通道周围的残基使用棍棒模型显示;C.eIF4AI突变体的ATP水解酶活性测试;D. eIFAI突变体的RNA解旋酶活性测试。

原文链接:

A gating mechanism for Pi release governs the mRNA unwinding by eIF4AI during translation initiation

原文摘要:

Eukaryotic translation initiation factor eIF4AI, the founding member of DEAD-box helicases, undergoes ATP hydrolysis-coupled conformational changes to unwind mRNA secondary structures during translation initiation. However, the mechanism of its coupled enzymatic activities remains unclear. Here we report that a gating mechanism for Pi release controlled by the inter-domain linker of eIF4AI regulates the coupling between ATP hydrolysis and RNA unwinding. Molecular dynamic simulations and experimental results revealed that, through forming a hydrophobic core with the conserved SAT motif of the N-terminal domain and I357 from the C-terminal domain, the linker gated the release of Pi from the hydrolysis site, which avoided futile hydrolysis cycles of eIF4AI. Further mutagenesis studies suggested this linker also plays an auto-inhibitory role in the enzymatic activity of eIF4AI, which may be essential for its function during translation initiation. Overall, our results reveal a novel regulatory mechanism that controls eIF4AI-mediated mRNA unwinding and can guide further mechanistic studies on other DEAD-box helicases.

doi: 10.1093/nar/gkv1033

文章来源:生物帮