如何探索蛋白質(zhì)翻譯的演變

蛋白質(zhì)合成中的“翻譯”過程涉及在連接到兩個不同的轉(zhuǎn)移 RNA (tRNA) 的兩個氨基酸之間形成肽鍵。長期以來，科學家們一直對這些 tRNA 如何在進化上如此靠近核糖體感到困惑。在一項新的研究中，研究人員解釋了 tRNA 樣成分如何充當與氨基酸結(jié)合的“RNA minihelices”之間肽鍵形成的支架，這些“RNA minihelices”是半 tRNA 樣分子。

存儲在 DNA 中的遺傳信息通過翻譯過程被“解碼”形成蛋白質(zhì)。這涉及在與轉(zhuǎn)移 RNA (tRNA) 分子結(jié)合的氨基酸之間形成肽鍵，這些分子在彼此非常接近的位置滑過核糖體，并拉長肽鏈，隨后發(fā)生構(gòu)象變化，形成蛋白質(zhì)。與小核糖體亞基中的密碼子依賴性氨酰-tRNA 識別相反，所討論的肽鍵形成以非氨基酸特異性方式發(fā)生在大核糖體亞基的肽基轉(zhuǎn)移酶中心 (PTC)。這種非特異性表明大亞基先于小亞基進化，小亞基與 mRNA 和 tRNA 具有更特異性的相互作用。

盡管 PTC 形成的進化過程已被徹底記錄，但對核糖體如何發(fā)展成功能實體并成為蛋白質(zhì)合成的重要組成部分知之甚少。長期以來，科學家們一直對 tRNA 需要“支架”的幫助才能產(chǎn)生肽鍵這一事實感到困惑，這使得它們通過受體臂上的 3'-CCA 序列進行相互作用。那個腳手架是什么，以及它是如何運作的，將會很有趣。

由 Koji Tamura 教授領(lǐng)導的東京科技大學的一個科學家團隊決定從生物進化的連續(xù)性角度來解開這個謎團。他們的研究于 2022 年 4 月 12 日在線發(fā)表在《生命》雜志第 12 卷第 4 期，闡明了蛋白質(zhì)翻譯的進化方面。他們的結(jié)果代表了重要的證據(jù)來證明關(guān)于 PTC 的起源和進化的假設(shè)，這改變了我們看待現(xiàn)代核糖體和 tRNA 的方式。

在仔細觀察了嗜熱棲熱菌(一種常用于遺傳學研究的細菌)的 70S 核糖體-tRNA 復合物的晶體結(jié)構(gòu)后，這個想法得以實現(xiàn)。此處 tRNA 的肽基 (P-) 和氨?；?(A-) 位點對齊以使 CCA 末端靠近，就像橄欖球運動員在“Goromaru 姿勢”中的食指一樣。“有一個特定的實體充當了維持這種接近性的支架，它很可能源于原始 PTC，”Tamura 教授說。由于可能存在進化方面的問題，該團隊選擇利用原始 tRNA 或“RNA minihelix”進行研究。

他們首先嘗試在存在核糖體 RNA 片段的情況下在兩個丙氨酸特異性小螺旋之間形成肽鍵。肽鍵是使用核糖體片段 P1c2 形成的，作為僅 70 個核苷酸長的 RNA 支架!接下來，他們在 P1c2 (P1c2UGGU) 中添加了一個末端氨基酸片段(序列為 UGGU)。根據(jù)質(zhì)譜結(jié)果，這增加了原來的4.2倍的肽鍵形成能力!兩個丙氨酸殘基之間的肽鍵形成得到二聚化 P1c2UGGU 支架的支持。支架的 UGGU 序列與相應(yīng)的小螺旋的 3'-末端 ACCA 相互作用，使兩個氨基酸足夠接近以產(chǎn)生肽鍵。諾貝爾獎獲得者 Ada Yonath 博士和她的團隊最近表明，

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