来自中科院生物化学与细胞生物学研究所，法国科研中心分子细胞及遗传学研究所的研究人员以tRNA的阴阳为题，揭示了tRNA 3’CCA末端在EcLeuRS分子内的摆动对其催化和编校功能的影响，同时为以tRNA在LeuRS中分子内的摆动机制为靶点的新型抗生素设计提供了理论依据。相关研究成果公布在国际学术期刊《Nucleic Acids Research》上。

领导这一研究的是著名生物化学与分子生物学家王恩多院士，其长期从事酶学和酶与核酸的相互作用的研究，在蛋白质生物合成中关键的氨基酰-tRNA合成酶与tRNA相互作用的研究中做出了重要贡献，于2005年当选为中国科学院院士。2006年当选为第三世界科学院院士。第一作者为谭敏博士和博士研究生王猛。

LeuRS催化生成亮氨酰-tRNALeu为蛋白质的生物合成提供原料，tRNA的氨基酰化反应在合成结构域通过氨基酸活化和tRNA的氨基酰化两步反应完成。但是，其催化活性中心也会识别亮氨酸类似物生成误活化氨基酸，进而产生误氨基酰-tRNALeu。

为保证正确地翻译遗传信息，LeuRS在进化的过程中招募了一个额外的编校结构域（CP1）来行使编校功能，在该结构域水解生成的误氨基酰化产物。LeuRS的氨基酰化和编校功能依赖于tRNA的3’ CCA末端在两个结构域之间的摆动。在氨基酰-tRNA合成活性中心没有活化的亮氨酸时，tRNA 3’ CCA末端倾向于结合在编校结构域，此时的tRNA呈经典的倒L构象。而当tRNA的3’CCA末端结合到氨基酰-tRNA合成结构域进行氨基酰化反应时，则呈现压缩扭曲的构象。

在这篇文章中，研究人员通过对大肠杆菌LeuRS（EcLeuRS）的结构的分析和酶学动力学研究，鉴定了EcLeuRS中协助tRNA 3’CCA转位的关键残基R418，将其突变成酸性的谷氨酸和天门冬氨酸导致与tRNA相互排斥使tRNA不能进入氨基酰化活性中心，酶的氨基酰化活力几乎丧失。

当EcLeuRS处于氨基酰化构象时编校结构域中的E292和氨基酰化结构域中的R416形成了空间距离为2.8Å的盐桥；揭示了这个盐桥的作用在于将游离的tRNA锁定在氨基酰-tRNA合成活性中心，当引入单突变R416E或E292R破坏盐桥使游离的tRNA 3’CCA末端从氨基酰-tRNA合成活性中心摆出，降低了酶的氨基酰化活力；酶的氨基酰化活力随着引入双突变E292R-R416E重构盐桥而恢复。

进一步的研究表明tRNA 3’CCA末端在EcLeuRS分子内的摆动同时还调节了酶的编校活力，当EcLeuRS的突变降低了tRNA 3’CCA在氨基酰-tRNA合成活性中心的结合时，CCA倾向位于编校结构域内，具有这一构象的酶变种依赖tRNA的转移前编校功能将被激活，进而提高了酶的依赖tRNA的转移前编校活力以及总的编校活力。

这项研究揭示了tRNA 3’CCA末端在EcLeuRS分子内的摆动对其催化和编校功能的影响，同时为以tRNA在LeuRS中分子内的摆动机制为靶点的新型抗生素设计提供了理论依据。

原文摘要：

The Yin and Yang of tRNA: proper binding of acceptor end determines the catalytic balance of editing and aminoacylation

Faithful translation of the genetic code depends on accurate coupling of amino acids with cognate transfer RNAs (tRNAs) catalyzed by aminoacyl-tRNA synthetases. The fidelity of leucyl-tRNA synthetase (LeuRS) depends mainly on proofreading at the pre- and post-transfer levels. During the catalytic cycle, the tRNA CCA-tail shuttles between the synthetic and editing domains to accomplish the aminoacylation and editing reactions. Previously, we showed that the Y330D mutation of Escherichia coli LeuRS, which blocks the entry of the tRNA CCA-tail into the connective polypeptide 1domain, abolishes both tRNA-dependent pre- and post-transfer editing. In this study, we identified the counterpart substitutions, which constrain the tRNA acceptor stem binding within the synthetic active site. These mutations negatively impact the tRNA charging activity while retaining the capacity to activate the amino acid. Interestingly, the mutated LeuRSs exhibit increased global editing activity in the presence of a non-cognate amino acid. We used a reaction mimicking post-transfer editing to show that these mutations decrease post-transfer editing owing to reduced tRNA aminoacylation activity. This implied that the increased editing activity originates from tRNA-dependent pre-transfer editing. These results, together with our previous work, provide a comprehensive assessment of how intra-molecular translocation of the tRNA CCA-tail balances the aminoacylation and editing activities of LeuRS.

作者简介：

王恩多

中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所研究员。1944年11月生于重庆。1969年和1981年中国科学院上海生物化学研究所研究生毕业，1981年获硕士学位。2005年当选为中国科学院院士。2006年当选为第三世界科学院院士。

长期从事酶学和酶与核酸的相互作用的研究。在蛋白质生物合成中关键的氨基酰-tRNA合成酶与tRNA相互作用的研究中做出重要贡献：从酶和tRNA的角度，用生物化学和分子生物学等手段研究了原核和人氨基酰-tRNA合成酶在氨基酰化tRNA和编校误氨基酰化tRNA中涉及到的氨基酸和核苷酸残基，最先提出大肠杆菌亮氨酰-tRNA合成酶的CP1结构域与编校误氨基酰-tRNA有关，系统研究了超嗜热菌亮氨酰-tRNA合成酶单独的CP1结构域编校功能，提出古老的细菌带有合成酶的进化遗迹，证明了氨基酰-tRNA合成酶/tRNA共进化的理论。为我国在该领域取得国际地位做出了突出贡献。
 
已发表研究论文100余篇，发表SCI收录的研究论文约80篇，其中在国外学术刊物发表55篇。研究结果400余次被包括《生物化学年鉴》和《细胞》中的综述，《美国科学院院报》，《欧洲分子生物学组织杂志》和《分子细胞》的研究论文引用。研究组与法国，加拿大，美国和香港等多家实验室有合作研究关系。

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