Nat Commu | 许超/张凯铭等合作揭示Gemin5 羧基端十聚体结合mRNA的机制

Gemin5最早于运动神经元存活 (SMN) 复合体中被发现，编码1508个氨基酸，是SMN复合物中最大的亚基，其功能障碍与人体神经系统疾病发生密切相关。Gemin5氨基端结构域（G5N）在SMN复合物中参与小核RNA（snRNA）的识别，而其羧基端结构域（G5C）被报道结合自身mRNA调控其翻译，其功能，独立于SMN复合物。Gemin5 羧基端的TPR结构域二聚体的晶体结构于2020年被解析，同时发现该区域不能结合mRNA或病毒RNA，该结构也无法解释Gemin5羧基端结构域结合并调控mRNA翻译的功能机制。

2022年9月2日，中国科学技术大学许超教授、张凯铭教授与西班牙分子生物学中心Encarna Martínez-Salas教授合作，在Nature Communications上发表研究论文Structural basis for Gemin5 decamer-mediated mRNA binding，通过结构生物学、生物化学、细胞生物学等手段揭示了G5C十聚体调控mRNA翻译的分子机制。

研究人员首先获得了稳定的人源G5C 约650 aa的重组蛋白质，通过静态光散射（SLS）发现其形成约740 kD的超大复合体，利用EMSA及荧光偏振（FP）结合实验发现该G5C结合Gemin5 mRNA的nt 3959-3990区域。研究人员解析了G5C冷冻电镜结构（整体分辨率3.31 Å）。令人惊讶的是，G5C形成十聚体，可被称作dimer of pentamers构型。在结构中，G5C分别通过氨基端的TPR结构域以及羧基端的五聚体结构域分别形成二聚体和五聚体。两个G5C羧基端形成的闭合五聚体通过5个长而弯曲的TPR二聚体连接形成十聚体。TPR二聚体的扭转使两个五聚体组成的五边形平面看起来沿中轴线旋转了108度。

结构分析表明，G5C五聚体界面主要由疏水相互作用构成。研究人员在相互作用界面上获得了若干减弱五聚体形成的突变，通过体积排阻层析发现G5C突变体形成的复合物变小，此外还发现破坏G5C五聚体形成大大减弱G5C与自身mRNA相互作用，暗示了完整的G5C十聚体对于G5C结合mRNA功能是必需的。利用突变和生化实验，研究人员发现了两个TPR 二聚体之间的潜在结合mRNA的正电口袋。将该区域 4个带正点氨基酸突变后，十聚体仍然可以形成，但其与mRNA结合力下降了超过20倍。在G5C装配成为有序的十聚体后，原来不具备mRNA结合能力的TPR二聚体和邻近TPR在空间上有序排列，形成带正电的口袋，可以容纳包含stem loop区域的Gemin5 mRNA片段。该机制可能也适用于解析Gemin5羧基端与其他含有复杂二级结构的mRNA或病毒RNA的结合。细胞内translation assay则进一步验证了体外结构生物学等实验的结论，即打破G5C五聚体形成或在G5C的mRNA结合区域突变带正电氨基酸都破坏Gemin5对mRNA的调控功能。

总之，本研究报道了Gemin5羧基端十聚体的冷冻电镜结构，并发现了其结合mRNA的位点，解析了G5C十聚体作为一个整体结合自身mRNA并调控mRNA翻译的机制，为进一步研究Gemin5蛋白质独立于SMN复合物的功能，包括调控病毒RNA及mRNA翻译提供了结构基础。

据悉，本研究的第一单位是中国科学技术大学无膜细胞器与细胞动力学教育部重点实验室，第一作者是许超课题组的博士生郭琼（已毕业），赵是栋，以及Encarna Martínez-Salas课题组的Rosario Francisco-Velilla。许超教授，张凯铭教授和Encarna Martínez-Salas教授为本论文的通讯作者。

图：G5C十聚体的冷冻电镜结构及其结合mRNA并调控其翻译的机制

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