眾所周知，根據(jù)中心法則，DNA轉錄為mRNA，mRNA再翻譯為蛋白質，mRNA的降解速率是每個基因產(chǎn)生的蛋白質的數(shù)量的主要決定因素，而這又會影響細胞功能。例如，對于mRNA疫苗，mRNA存在更長時間會產(chǎn)生更多蛋白質，從而更好地激活免疫系統(tǒng)以抵抗感染；而對于CRISPR-Cas9基因編輯，產(chǎn)生Cas9蛋白的mRNA最好在完成編輯后立即被清除，以防止錯誤地編輯其他基因。
在mRNA翻譯為蛋白質的過程中，轉運RNA（tRNA）負責識別mRNA上的每個密碼子，并將對應的氨基酸添加到多肽鏈，再進一步折疊、修飾為蛋白質。
而 Science 期刊發(fā)表的一項最新研究發(fā)現(xiàn)了tRNA的全新作用——在翻譯過程中調控mRNA降解。
2024年11月22日，德克薩斯大學西南醫(yī)學中心 Joshua Mendell 教授團隊（博士后朱小強為第一作者）在國際頂尖學術期刊 Science 上發(fā)表了題為：Specific tRNAs promote mRNA decay by recruiting the CCR4-NOT complex to translating ribosomes 的研究論文。
該研究通過冷凍電子顯微鏡和tRNA突變實驗發(fā)現(xiàn)，解碼精氨酸密碼子的特異性tRNA直接將CCR4-NOT復合體招募到正在翻譯的核糖體，啟動mRNA降解，從而促進mRNA周轉。相反，還有一些tRNA具有阻止CCR4-NOT復合體募集的結構特征。
該研究發(fā)現(xiàn)了tRNA在翻譯過程中調控mRNA降解的新作用——P位點tRNA介導的mRNA降解（P-site tRNA–mediated mRNA decay），擴展了tRNA的已知功能，揭示了調控哺乳動物細胞中mRNA穩(wěn)定性的新機制，這一機制對于調控基因表達至關重要，尤其是線粒體相關mRNA，因此，這一發(fā)現(xiàn)可能為線粒體遺傳病、肥胖癥以及癌癥等線粒體相關疾病提供新的治療方法。
許多RNA結合蛋白和調節(jié)性RNA通過與特定信息結合并招募降解因子（包括CCR4-NOT復合物）來促進mRNA降解，CCR4-NOT復合物通過去除mRNA的poly(A)尾使其不穩(wěn)定。
最近有研究表明，當翻譯效率低下時，CCR4-NOT復合物也可以直接募集到核糖體。具體而言，當核糖體遇到含有有限同源tRNA的密碼子（非最優(yōu)密碼子）時，它可能會以空的A位點（A-site）和E位點（E-site）的構項暫停下來。這使得CCR4-NOT復合物的一個亞單位CNOT3與空的E位點結合，從而促進mRNA的降解和加速周轉。
對人HEK293T細胞中與CNOT3結合的核糖體相關的mRNA印記進行高通量測序發(fā)現(xiàn)，在A位點緩慢解碼的密碼子的存在并不是核糖招募CNOT3的強信號。相反，P位點的特定精氨酸密碼子（CGG、CGA和AGG）與CNOT3的招募高度相關，而其他密碼子（包括指定天冬酰胺、賴氨酸、異亮氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸、甲硫氨酸和蘇氨酸的密碼子）則從結合CNOT3的核糖體的P位點被消耗。
mRNA半衰期的測量和mRNA密碼子含量的分析表明，編碼線粒體核糖體蛋白的mRNA高度富集了CNOT3相關的精氨酸密碼子，因此，CCR4-NOT復合物是一個強大的線粒體翻譯和質量的負調控因子。
研究團隊表示，由于線粒體相關mRNA受這種新發(fā)現(xiàn)的mRNA降解機制的影響最為嚴重，將來有望利用這種降解機制來治療某些遺傳性線粒體疾病以及其他線粒體發(fā)揮關鍵作用的疾?。ɡ绶逝职Y和癌癥）。
為了研究P位點密碼子身份如何調控CNOT3招募，研究團隊對含有CGG精氨酸密碼子的CNOT3結合的核糖體進行了冷凍電鏡分析，結合tRNA和CNOT3的突變，產(chǎn)生的高分辨率冷凍電鏡結構揭示了P位點tRNA在CNOT3招募中的核心作用。
核糖體的分子模型（藍色和黃色），CCR4-NOT復合物的一部分（綠色）結合在E-位點，識別P-位點的特異性精氨酸t(yī)RNA（橙色）。
具體來說，CNOT3進入空的E位點，與P位點tRNAArg,CCG的D臂（D-arm）形成氫鍵相互作用。這些促進CNOT3募集的相互作用依賴于解碼CGG、CGA和AGG的精氨酸t(yī)RNA中罕見的U13:A22:A46三聯(lián)體的存在。此外，解碼從CNOT3結合核糖體中缺失的密碼子的tRNA通常在D環(huán)（D-loop）中含有一個額外的核苷酸，該核苷酸與CNOT3發(fā)生空間沖突，從而阻止其募集。
P位點tRNA控制著CCR4-NOT復合體向翻譯中的核糖體的募集。緩慢解碼導致核糖體具有空的A位點和E位點，為CNOT3進入E-位點并探測P-位點tRNA提供了機會,精氨酸特異性tRNA穩(wěn)定CNOT3的募集并促進mRNA的降解，而其tRNA在空間上阻斷CNOT3的結合，使mRNA能夠繼續(xù)翻譯。
總的來說，該研究揭示了tRNA除了在mRNA解碼中發(fā)揮經(jīng)典作用外，還參與了翻譯中的核糖體招募轉錄調控因子，從而促進mRNA降解，加速其周轉。研究團隊提出了P位點tRNA介導的mRNA降解（P-site tRNA–mediated mRNA decay）來描述這種mRNA加速周轉的新機制。
論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adq8587
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