生命活動(dòng)的中心法則是由遺傳物質(zhì)DNA轉(zhuǎn)錄生成信使RNA，再由信使RNA翻譯成蛋白質(zhì)，從而完成新陳代謝、生長(zhǎng)發(fā)育等各項(xiàng)生理功能。然而，細(xì)胞（尤其是高等生物細(xì)胞）內(nèi)還存在著大量不翻譯成蛋白質(zhì)的RNA，被稱為非編碼RNA。它們?cè)诨虮磉_(dá)調(diào)控等關(guān)鍵生命活動(dòng)過(guò)程中發(fā)揮重要作用，與細(xì)胞分化、個(gè)體發(fā)育以及疾病發(fā)生與發(fā)展密切相關(guān)。其中一類(lèi)功能重要的小非編碼RNA是microRNA（miRNA），它們長(zhǎng)約21~24個(gè)堿基，普遍存在于從線蟲(chóng)到人類(lèi)等高等生物中，而且很多miRNA的生物學(xué)功能在進(jìn)化過(guò)程中保守。自1993年首次發(fā)現(xiàn)以來(lái)，已有數(shù)以萬(wàn)計(jì)的miRNA被鑒定，其中一些被作為癌癥等疾病的診斷標(biāo)志物和藥物研發(fā)靶點(diǎn)。因此，miRNA的功能及其自身的生成與調(diào)控機(jī)制一直都是生物醫(yī)學(xué)研究熱點(diǎn)。

具有功能的miRNA是由一條包含一個(gè)頸環(huán)結(jié)構(gòu)的更長(zhǎng)轉(zhuǎn)錄本（又稱pri-miRNA）經(jīng)過(guò)兩步切割反應(yīng)而產(chǎn)生。第一步切割反應(yīng)在細(xì)胞核內(nèi)進(jìn)行，由Drosha/DGCR8復(fù)合物催化完成，其中Drosha為III型RNA切割酶，是核心催化組分，DGCR8為雙鏈RNA結(jié)合蛋白，負(fù)責(zé)招募pri-miRNA底物。核內(nèi)切割產(chǎn)生長(zhǎng)度約60-70個(gè)堿基左右的前體miRNA，然后前體miRNA出核，在細(xì)胞質(zhì)由Dicer RNA酶完成第二步切割。第一步在核內(nèi)的切割反應(yīng)尤為重要，一方面去除冗長(zhǎng)的無(wú)關(guān)序列，從上千堿基長(zhǎng)度的pri-miRNA產(chǎn)生僅60-70個(gè)堿基的前體miRNA；另一方面，切割產(chǎn)生的3’端就是最終成熟miRNA的末端，對(duì)于miRNA的功能至關(guān)重要，因此要求切割位點(diǎn)非常精確。

Drosha/DGCR8復(fù)合物作為細(xì)胞核內(nèi)唯一pri-miRNA切割酶是2003-2004年發(fā)現(xiàn)的，盡管過(guò)去十余年進(jìn)行了大量研究，包括pri-miRNA上關(guān)鍵序列的鑒定和蛋白質(zhì)重要功能結(jié)構(gòu)域的分析等，但是pri-miRNA如何被準(zhǔn)確識(shí)別以及Drosha/DGCR8如何界定切割位點(diǎn)這些重要科學(xué)問(wèn)題一直沒(méi)有得到清晰的回答。3月27日，Molecular Cell 雜志在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所許瑞明課題組與清華大學(xué)王宏偉課題組合作完成的題為Structural Basis For pri-miRNA Recognition by Drosha 的研究論文，利用單顆粒冷凍電鏡方法解析了Drosha/DGCR8與pri-miRNA的復(fù)合物結(jié)構(gòu)，揭示了pri-miRNA核內(nèi)加工的分子機(jī)制。他們的研究結(jié)果證實(shí)了Drosha在切割位點(diǎn)界定中的決定性作用，發(fā)現(xiàn)Drosha的PAZ、MB helix和dsRBD結(jié)構(gòu)域在pri-miRNA識(shí)別和協(xié)同完成切割位點(diǎn)定位中發(fā)揮重要作用。其中，PAZ結(jié)構(gòu)域在RNA結(jié)合前后出現(xiàn)了明顯的構(gòu)象變化，它與MB helix一起，結(jié)合在pri-miRNA的單、雙鏈交界區(qū)兩側(cè)，形成了pri-miRNA關(guān)鍵特性識(shí)別的獨(dú)特模式。其中PAZ結(jié)構(gòu)域與RNA的結(jié)合方式完全不同于之前發(fā)現(xiàn)的其他蛋白PAZ結(jié)構(gòu)域僅僅識(shí)別RNA的3’末端的方式。概括而言，該項(xiàng)研究首先揭示了Drosha特異性識(shí)別pri-miRNA的關(guān)鍵序列和結(jié)構(gòu)特性的分子機(jī)制，發(fā)現(xiàn)了新穎的PAZ結(jié)構(gòu)域構(gòu)象及其結(jié)合RNA的新模式，闡明了困擾研究領(lǐng)域多年的關(guān)鍵分子機(jī)制。

此外，這項(xiàng)研究還提出了Drosha/DGCR8復(fù)合物存在不同的活性狀態(tài)。當(dāng)沒(méi)有底物RNA時(shí)，Drosha的PAZ發(fā)卡狀雙螺旋占據(jù)了切割活性中心區(qū)域，阻礙Drosha與RNA的結(jié)合；而當(dāng)識(shí)別pri-miRNA底物時(shí)，該螺旋發(fā)生構(gòu)象變化，促進(jìn)并穩(wěn)定了底物的結(jié)合。研究人員認(rèn)為，這是一種從自抑制狀態(tài)到活化狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，表明Drosha存在活性自調(diào)控機(jī)制，有益于在體內(nèi)環(huán)境中識(shí)別正確底物進(jìn)行切割。

生物物理所研究員許瑞明與清華大學(xué)生命科學(xué)院教授王宏偉為該論文的共同通訊作者，生物物理所副研究員金文星和清華大學(xué)博士王家為共同第一作者，工作的主要參與者還有生物物理所副研究員劉超培。生物物理所研究員章新政、博士曹端方為研究工作提供了有價(jià)值的建議。該研究得到生物物理所生物成像中心和清華大學(xué)冷凍電鏡和高性能計(jì)算平臺(tái)的大力支持，得到國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、北京市自然科學(xué)基金以及中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)資助。

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圖注：Drosha/DGCR8復(fù)合物對(duì)底物pri-miRNA的特異性識(shí)別及精確切割的機(jī)制模型

來(lái)源：生物物理研究所