引言
转移相关肺腺癌转录本1(MALAT1)是最早发现的和进化上最保守的长非编码RNA(lncRNA)之一。MALAT1在多种癌症中的表达水平显著升高,并在预测癌症转移和患者生存方面具有重要的临床应用意义【1】。MALAT1在乳腺癌、肝癌和肺癌、糖尿病、胰岛素信号传导、炎症等疾病中发挥多种作用。MALAT1定位于核斑点(nuclear speckles),直接与活性染色质和RNA结合蛋白(如异质性核核糖核蛋白C(hnRNP C)和丝氨酸/精氨酸剪接因子)结合【2, 3】。通过这些和其他核内分子的互作,MALAT1在调节转录、前mRNA剪接、微RNA隔离及其他细胞过程中起到关键作用【4】。然而MALAT1,NEAT1,以及其他至少130个后生动物的lncRNA 缺失稳定多数mRNA的 3′ poly(A) 尾。这些lncRNA则利用它们3′ 末端的稳定RNA三螺旋(triplex)结构以免受外切核酸酶快速降解【5, 6】。MALAT1前体通过模仿tRNA结构以招募RNase P切割其5′ 引导序列,产生成熟MALAT1。与此同时,被RNase P切割后的tRNA类似结构生成一个新的小非编码RNA,被命名为mascRNA【7】。随后,ELAC2(ElaC同源蛋白2,或RNase Z)去除mascRNA 的3′ 尾部,然后CCA-添加酶对它添加3′ CCA尾,最终产生61碱基长的成熟mascRNA。在细胞核内驱动MALAT1成熟后,mascRNA被转运到细胞质中,并执行一系列其他功能,包括增强翻译、调节先天免疫和维持巨噬细胞功能 【8-10】。mascRNA特异性结合谷氨酰-tRNA合成酶(GlnRS)、多tRNA合成酶复合物(MSC)和hnRNP H/F等蛋白。成熟的MALAT1和mascRNA分别独立促进细胞增殖、迁移和侵袭,并在小鼠模型中驱动肿瘤形成和转移。
尽管具有3′ CCA末端和整体类似tRNA的二级结构,但尚未发现成熟的mascRNA被氨酰化。这与大多数植物病毒中的类tRNA结构(TLS)形成鲜明对比,例如芜菁黄花叶病毒(TYMV)和燕麦花叶病毒(BMV)。病毒TLS的主要功能是招募宿主氨酰-tRNA合成酶(aaRSs)以在其3′末端安装氨基酸。TLS氨酰化增强病毒mRNA与翻译因子和核糖体的结合,以促进病毒mRNA翻译并支持其感染性。mascRNA不被aaRSs识别的现象引发了一个问题,即它是否折叠成tRNA的经典三维结构。同时,mascRNA缺失位于tRNA核心区域的约八个进化上保守的和结构上重要的碱基。到目前为止,mascRNA的具体三维结构,以及它与RNase P, ELAC2, aaRSs等tRNA加工酶的相互作用仍未知。
2024年7月2日,美国国立卫生研究院(NIH)资深研究员张金伟研究组在Nature Structural & Molecular Biology杂志上发表了题为Structural basis of MALAT1 RNA maturation and mascRNA biogenesis的文章解析首个mascRNA晶体结构,并通过酶动力学、圆二色性 (CD)、荧光偏振、实时荧光定量PCR、RNA测序等多种生物化学、生物物理、和细胞生物学手段揭示了MALAT1 和mascRNA 招募多个tRNA加工酶的分子机理。
a. MALAT1 lncRNA 末端成熟和mascRNA产生的流程图。b. 对比tRNA和mascRNA的结构相似性和差异。c.mascRNA目前已知的细胞质功能。(Credit: Nature Structural & Molecular Biology)
文章作者发现MALAT1 前体以及mascRNA结构使用一种异常精简的准tRNA折叠。虽然没有使用任何单链碱基来连接类似tRNA的4个双螺旋茎区,这种新颖的RNA架构仍然有效地模拟了tRNA的上半部分,包括其特征性的臂肘 (elbow) 结构。tRNA和mascRNA的臂肘结构均由D-loop和T-loop结构互补镶嵌产生,是tRNA独有的表面结构特征【11-14】。体外和细胞内实验一致表明mascRNA的臂肘结构对RNase P的招募至关重要,由于臂肘区域与RNAse P RNA通过直接的p-p堆叠以实现结构对接和RNA-RNA互作。相比RNAse P,ELAC2则表现出一种较宽松的RNA底物特异性。mascRNA的下半部分与tRNA有明确的结构差异,通过D 茎区和反密码子区域的40度旋转和重新定位防止了氨酰化,避免干扰正常的核糖体蛋白质合成。这些结构和功能数据为MALAT1的末端成熟和mascRNA的生物学发生提供了详细的分子基础。
a-g. 多种实现tRNA结构拟态的天然RNA架构的横向比较(Credit: Nature Structural & Molecular Biology)
综上,一大类后生动物内以MALAT1为例的lncRNA采用一种新颖的、异常精简的准tRNA结构来招募指定的tRNA加工酶,同时避免被其他不利的tRNA酶识别,以驱动精准定制的RNA生成、加工和成熟。相比其他的天然模仿tRNA的RNA结构 (比如Y RNA, tmRNA, TLS,IRES等), mascRNA提供了目前已知的最精简而有效的策略。利用MALAT1 作为范例,此项工作首次揭示了长非编码RNA的部分精细复杂三维结构,以及这类模块化的RNA如何通过部分模仿其他的RNA结构实现招募或者排斥不同RNA结合蛋白的原则和机制,并提供了发展和设计新型RNA功能设备和靶向或者基于RNA结构的抗癌药物设计的前景和框架。
参考文献
1. Ji, P., et al., MALAT-1, a novel noncoding RNA, and thymosin beta4 predict metastasis and survival in early-stage non-small cell lung cancer. Oncogene, 2003. 22(39): p. 8031-41.
2. Liu, N., et al., N(6)-methyladenosine-dependent RNA structural switches regulate RNA-protein interactions. Nature, 2015. 518(7540): p. 560-4.
3. Tripathi, V., et al., The nuclear-retained noncoding RNA MALAT1 regulates alternative splicing by modulating SR splicing factor phosphorylation. Mol Cell, 2010. 39(6): p. 925-38.
4. Arun, G., D. Aggarwal, and D.L. Spector, MALAT1 Long Non-Coding RNA: Functional Implications. Noncoding RNA, 2020. 6(2).
5. Zhang, B., et al., Identification and Characterization of a Class of MALAT1-like Genomic Loci. Cell Rep, 2017. 19(8): p. 1723-1738.
6. Brown, J.A., et al., Formation of triple-helical structures by the 3'-end sequences of MALAT1 and MENbeta noncoding RNAs. Proc Natl Acad Sci U S A, 2012. 109(47): p. 19202-7.
7. Wilusz, J.E., S.M. Freier, and D.L. Spector, 3' end processing of a long nuclear-retained noncoding RNA yields a tRNA-like cytoplasmic RNA. Cell, 2008. 135(5): p. 919-32.
8. Sun, T., et al., The small RNA mascRNA differentially regulates TLR-induced proinflammatory and antiviral responses. JCI Insight, 2021. 6(21).
9. Lu, X., et al., The tRNA-like small noncoding RNA mascRNA promotes global protein translation. EMBO Rep, 2020. 21(12): p. e49684.
10. Gast, M., et al., tRNA-like Transcripts from the NEAT1-MALAT1 Genomic Region Critically Influence Human Innate Immunity and Macrophage Functions. Cells, 2022. 11(24).
11. Zhang, J., Recognition of the tRNA structure: Everything everywhere but not all at once. Cell Chem Biol, 2024. 31(1): p. 36-52.
12. Zhang, J. and A.R. Ferré-D'Amaré, Co-crystal structure of a T-box riboswitch stem I domain in complex with its cognate tRNA. Nature, 2013. 500(7462): p. 363-6.
13. Zhang, J. and A.R. Ferre-D'Amare, The tRNA Elbow in Structure, Recognition and Evolution. Life (Basel), 2016. 6(1).
14. Bou-Nader, C., et al., HIV-1 matrix-tRNA complex structure reveals basis for host control of Gag localization. Cell Host Microbe, 2021. 29(9): p. 1421-1436.
https://www.nature.com/articles/s41594-024-01340-4
责编|探索君
排版|探索君
文章来源|“BioArt”
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