生物学最精确的分子剪刀
DICER是生物学中最重要的分子机器之一——一种酶，以非凡的精度将前体microRNA加工成其功能形式，精确地在正确的位置进行切割，以产生调节几乎所有生物过程中基因表达的成熟microRNA。几十年来，研究人员知道DICER做什么，但不知道它如何实现单核苷酸精度。香港科技大学的一项新研究利用冷冻电子显微镜在前所未有的结构细节中解决了这一机制。
为什么microRNA精度如此重要
MicroRNA是小RNA分子——通常长21到23核苷酸——与mRNA结合并抑制其翻译成蛋白质。这种转录后调控涉及几乎每个细胞过程：发育、免疫功能、细胞分裂、凋亡和应激反应。至关重要的是，成熟microRNA的功能取决于其确切的序列和长度。切割偏离正确位置一个核苷酸会产生具有不同种子序列的microRNA——确定mRNA靶标的7-8核苷酸区域。不精确的切割不仅会产生功能略降的microRNA，还可能产生具有完全不同甚至相反靶标的microRNA。因此，DICER的单核苷酸精度是功能上的必要，而不是生化上的好奇。
冷冻电子显微镜结构发现
HKUST团队在近原子分辨率下捕获了DICER正在加工pre-microRNA底物的过程。这使他们能够直观地看到酶的结构域如何定位RNA底物以及催化残基相对于切割位点的排列方式。关键发现是一个两步机制：pre-miRNA环区域在着陆垫结构域中初始对接，其次是DICER的PAZ结构域进行精确的距离测量。
PAZ结构域的作用如分子尺，将pre-miRNA的3'端固定在距离催化中心的固定距离处。这个尺子机制物理上限制了切割可以发生的位置，通过测量距离RNA中的结构标志而不是识别特定核苷酸序列来实现单核苷酸精度。这种方法的优雅之处在于它与目标的具体序列无关——DICER可以以一致的精度加工人类基因组中数百个不同的pre-miRNA底物，因为它测量的是几何，而不是化学。
结构灵活性解释了底物多样性
结构还揭示了DICER为什么可以加工具有非常不同环大小和形状的pre-miRNA底物。酶的灵活区域调整以适应环结构的变化，同时保守接触与环相邻区域维持精确切割所需的几何约束。这种结构适应性解释了DICER生物学中令人困惑的特征——它能够以均匀的切割精度加工结构多样的底物。
对RNA治疗的意义
治疗意义重大。RNA干扰治疗——利用microRNA通路沉默致病基因的药物——其活性取决于DICER加工。精确了解DICER如何实现精度可以使治疗RNA底物被更有效地加工，并具有更高的特异性，改善该类药物的治疗窗口。
还有功能丧失的角度。DICER突变或DICER活性降低与多种癌症和发育障碍有关。现在可用的结构细节可以指导设计小分子以恢复被破坏细胞中的DICER活性——这是一种已被提出但缺乏结构基础来有效追求的治疗策略。有了DICER与底物结合的原子分辨率结构，针对该靶标的理性药物设计变得易于处理。
RNA加工的更广泛原理
DICER属于RNase III酶家族，这些酶在所有生命形式中加工双链RNA。这项研究揭示的结构原理——使用距离结构标志而不是序列识别来实现精度——可能适用于涉及RNA加工、核糖体生物发生和抗病毒免疫的其他RNase III家族成员。对于从事合成生物学的研究人员，了解DICER的机制也为工程化具有改变加工模式的改良底物开辟了可能性，为研究和治疗应用启用了新类可调节基因表达系统。
本文基于Phys.org的报道。阅读原文。
Originally published on phys.org
