Science | 核糖體“休眠”之謎揭開：RNA擴展段驅動應激下的翻譯調控

在細胞面臨營養缺乏或環境壓力時，蛋白質合成會迅速下調以節約能量，這是細胞生存的重要策略。核糖體作為蛋白質合成的核心機器，其結構與功能在進化上高度保守。然而，相較于細菌通過形成“休眠二聚體”來保護核糖體的機制，動物細胞如何應對壓力并保存其核糖體種群一直是個謎。盡管早在上世紀60年代就觀察到核糖體之間存在相互作用，但其分子機制和生理意義始終未明。

近日，發表在《Science》雜志上的一項研究中，馬克斯·普朗克腦研究所的Erin M. Schuman團隊完成了題為《Ribosomal RNA expansion segments mediate the oligomerization of inactive animal ribosomes》的研究。該研究通過細胞生物學、生物化學和原位冷凍電子斷層掃描技術，揭示了動物細胞在應激狀態下，通過核糖體RNA中的擴展段介導非活性核糖體形成二聚體的全新機制。

研究人員首先發現，在大鼠神經元和膠質瘤細胞中，營養剝奪或藥物處理導致蛋白質合成下降的同時，會誘導一個明顯的二核糖體峰出現。進一步的生化分析表明，這些二核糖體既非活躍翻譯中的核糖體對，也非碰撞核糖體，而是處于一種非活性的“休眠”狀態。通過多糖體圖譜分析，團隊確認了這種應激誘導的二聚體在多個物種的細胞中普遍存在。

利用原位冷凍電子斷層掃描技術，團隊在對照和營養剝奪的大鼠神經元中解析了核糖體的高分辨率結構。通過對約16.9萬個核糖體顆粒進行分類，他們發現對照條件下大部分核糖體處于活躍翻譯狀態，而應激后絕大多數核糖體進入三種不同的休眠狀態。更重要的是，三維重構顯示這些休眠核糖體通過大亞基的背面相互連接，形成一種獨特的背對背二聚體結構，這與通過小亞基相互作用的翻譯中或碰撞二聚體截然不同。

結構分析精確定位了核糖體間的相互作用位點——28S rRNA上的真核生物特異性擴展段ES31Lb。該片段形成一個發卡結構，其環部含有自我互補的CGCGCG序列，預測可通過“kissing loop”機制發生同源二聚化。體外RNA凝膠遷移實驗證實，大鼠ES31Lb RNA發卡在鎂離子存在下確實能形成二聚體，而突變環部關鍵堿基則破壞該相互作用，從而在分子水平上驗證了這一預測。

為驗證ES31Lb在細胞內的功能，團隊開展了必要性及充分性實驗。向細胞裂解液中加入競爭性ES31Lb RNA發卡，可有效阻斷二核糖體的形成，證明其必要性。進一步地，將大鼠ES31Lb序列導入本身不形成二核糖體的酵母中，成功賦予了酵母在應激條件下形成二核糖體的能力。冷凍電子斷層掃描顯示，這種工程化酵母在應激后形成的二聚體結構與在大鼠神經元中觀察到的一模一樣，充分證明ES31Lb足以驅動二聚化。

研究還探索了二核糖體形成的調控與功能。鎂離子濃度實驗表明，較高的鎂離子濃度促進二聚體形成，而應激導致的細胞內鎂離子升高恰好與二聚體增加同步；恢復營養后，鎂離子下降伴隨二聚體解離和多核糖體回升。通過穩定表達競爭性ES31Lb RNA抑制二聚體形成，導致膠質瘤細胞增殖減慢、應激后死亡增加，表明二核糖體形成賦予細胞生長優勢和更強的應激抵抗能力。

最后，團隊對483種脊索動物的ES31Lb序列進行系統分析，發現約17%的物種（包括部分人類rRNA變體）的ES31Lb被預測可發生同源二聚。體外實驗和細胞實驗證實，預測可相互作用的物種在應激后出現二核糖體，而預測無相互作用的物種則無此現象。尤為引人注目的是，經典的低溫柔雞胚四核糖體結構，正是通過ES31Lb與另一擴展段ES9La的異型相互作用介導的，揭示了擴展段介導的高級寡聚化形式在動物界的廣泛存在。

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