2009年诺贝尔化学奖成果简介摘要:主要介绍了2009年诺贝尔化学奖得主文卡特拉曼•拉马克里希南、托马斯•施泰茨和阿达•约纳特在有关核糖体结构和功能领域的研究成果,并阐述其现实意义和发展前景。
关键词核糖体晶体结构抗生素生理功能蛋白质瑞典皇家科学院2009年10月7日宣布,将本年度诺贝尔化学奖授予美国科学家文卡特拉曼•拉马克里希南(Venkatraman Ramakrishnan)、美国科学家托马斯•施泰茨(Thomas A. Steitz)和以色列女科学家阿达•约纳特(Ada E. Yonath),以表彰他们在核糖体结构和功能研究领域作出的突出贡献。
他们以较高的分辨率确定了核糖体的结构以及它在原子水平上的功能机理,并通过建立3D模型展示不同抗生素与核糖体的结合。
本文主要介绍该项研究成果,并阐述其现实意义和发展前景。
1 核糖体简介蛋白质生物合成是把储存在DNA分子上的遗传信息“翻译”成有各种生物功能蛋白质的复杂过程。
所有有机体中,DNA的转录都是在RNA聚合酶的作用下传递给mRNA,而mRNA的翻译过程则需要在核糖体这个平台的作用下进行【1】。
1.1 核糖体的组成细菌(70S)核糖体包含了一大一小2个亚基(30S,50S),S表示超离心沉降系数。
30S亚基由大约20个不同的蛋白质与16S rRNA(含有1600个核苷酸)组成;50S 大亚基由大约33个不同的蛋白质、23S rRNA(含有2900个核苷酸)和5S rRNA(含有120个核苷酸)组成。
尽管真核生物的核糖体比原核生物的更大更复杂,但核糖体的总体结构却相似【2】。
对于tRNA,核糖体有3个结合位点:A位点、P位点和E位点(见图1)。
而mRNA定位于30S亚基颈部的通道上,在新生肽链的延伸过程中它以梯状排列的方式穿过通道。
1.2 核糖体的功能核糖体可以看成为一个多肽合成酶体系,而底物便是氨基酰tRNA。
核糖体对底物的识别就是氨基酰tRNA与核糖体的结合及解码过程,肽键的形成与肽基移位(peptidyltransfer)就是核糖体的催化过程【3】。
核糖体能够催化与共价键有关的2个化学反应:终止时候肽键的形成和酯键的水解。
而在蛋白质延伸和终止的过程中存在一个准确度的问题,就是指在蛋白质的延伸阶段,核糖体必须有效选择与一个氨基酸编码中A位点密码子(有义密码子)同源的氨基酰tRNA,同时,还必须避免氨基酸的替换或提前终止的高错误率而拒绝所有近似同源氨基酰tRNA或一级释放因子。
第一种类型的错误会减少或改变合成蛋白质的活动,而第二种错误会大大降低核糖体制造蛋白质的能力,即大幅度降低核糖体持续合成的能力。
此外,当在A位点出现终止密码子(无义密码子)的时候,必须有效选择一级释放因子,同时还必须避免一个氨基酰tRNA通读一个终止密码子。
要深入了解如何保证氨基酰tRNA选择准确率等有关核糖体功能机理的问题,就必须更为精确的定位核糖体和tRNA的结合位点,而这都需要构建细致的核糖体模型。
近年来, 由于低温电子显微镜、X射线晶体衍射、NMR以及计算机技术的进步【2】, 加之各种实验方法与实验手段的建立, 有关核糖体结构方面的实验数据越来越多, 综合这些数据, 拉马克里希南、施泰茨和约纳特等人分别建立了高分辨率的核糖体模型。
2 核糖体亚基高分辨率晶体结构的研究进展核糖体的大致结构及其在蛋白质合成过程中作为平台的工作方式,在20世纪80年代以前就已经知道了。
但是由于对其细微结构缺乏了解,所以蛋白质合成机制中还有许多问题不清楚。
而这3位科学家的贡献就在这里,他们重构了核糖体的高分辨率结构,并在此基础上揭开了核糖体功能机理的面纱。
1998年,施泰茨和他的同伴们最先解决了嗜盐死海古菌中50S亚基的相位问题。
当时还有30S亚基的相位问题尚未解决,因而他们的工作意味着核糖体晶体学出现了决定性的突破。
为此,他们使用了低温电镜技术、多重同型置换法和反常散射技术重构了核糖体50S亚基,从而获得了50S亚基低分辨率(9)结构。
9分辨率结构的重建显示了RNA右手双螺旋结构,第一次证明了对于核糖体亚基乃至整个70S核糖体而言,相位问题是容易控制的。
1年之后,施泰茨和同伴报道了50S亚基(嗜盐死海古菌)的中等分辨率(5)结构。
同年,拉马克里希南和同伴揭示了30S亚基(栖热菌属菌株)的5.5分辨率结构,不久,约纳特和同伴获得了嗜盐死海古菌中30S亚基的4.5分辨率结构。
虽然这些结构都没有展现出足够的分辨率以建立完整的原子模型,但它们却为高分辨率结构的迅速到来提供了必要的基石。
在2000年,施泰茨和同伴报道了嗜盐死海古菌中50S亚基在2.4分辨率下的结构,而拉马克里希南和约纳特分别发表了栖热菌属菌株中30S亚基在3.0和3.3分辨率下的结构。
这2个30S亚基结构在整体上表现出极大的相似性,仅在原子水平上有一些差异。
后来这些差异被约纳特实验报道中3.2分辨率下的结构给排除了。
2001年,约纳特和同伴获得了革兰氏阳性抗辐射球菌中的50S亚基的高分辨率结构,这个结构特别适合关于抗生素的细菌核糖体的研究【4】。
不同分辨率(9、5和2.4)下,核糖体50S亚基的结构包含的信息量显示出非常明显的不同。
而需要关注的是,要获得高分辨率结构,不是仅有高水平的检测仪器就可以做到,更重要的是要在样品的提取和制备技术上获得新的突破。
3 核糖体的功能机理3.1 肽键的形成和50S亚基核糖体的催化功能包括肽键的形成和肽基移位,了解这个功能的机理是揭开蛋白质生物合成奥秘的关键。
随着核糖体高分辨率结构的出现,它在原子水平上的功能机理终于不再神秘。
50S亚基高分辨率结构的建立能够推测核糖体如何通过从P位点氨基酰tRNA向A位点氨基酰tRNA转移新生肽的方式催化肽键的形成。
2005年,一些研究者在50S亚基结构的基础上,利用分子计算方法提出了肽基移位的机理模型。
他们预测氢键网络在肽基移位反应的基态中被预先组织,并且一直持续至肽键形成的过渡态。
这个预先形成并持续存在的氢键网络可以解释为什么在核糖体中肽键的形成是受熵驱动而不是焓驱动。
根据提出的机理,2′OH是质子穿梭路径的一部分,它可以排除在进攻A位点氨基酰tRNA的α氨基过程中形成的多余质子(如图2所示)。
这个机理指明核糖体RNA尤其是A2451的2′OH以及提供氢键网络的水分子能大大降低与核糖体催化肽键形成的基态反应有关的活化自由能。
同年,施泰茨和同伴提供了一系列新的50S亚基的复合体以研究2.4分辨率下肽基移位的机理。
这个晶体学杰作证实了在P位点结合的氨基酰tRNA中A76的2′OH质子穿梭以及有关水分子氢键网络的作用,从而表明核糖体是如何催化肽键的形成【4】。
图2 核糖体上肽键形成的机理3.2 肽链延伸阶段的高分辨率核糖体晶体结构2006年,拉马克里希南和同伴报道了栖热菌属菌株中70S核糖体在前移位状态下的高分辨率晶体结构。
这个结构不仅显示了核糖体模型是由tRNA结构和mRNA结构组成,而且还显示了它们是如何相互配合的。
最近,拉马克里希南和同伴又发表了栖热菌属菌株中2个核糖体复合物的高分辨率晶体结构。
这表明50S亚基的核糖体蛋白质L27和L16延伸的肽链能在肽基移位反应中稳定tRNA的CCA终止密码子,也说明这些蛋白质肽链参与了肽基形成的催化机制。
而嗜盐死海古菌并没有这些蛋白质,但一些科学家推测,嗜盐死海古菌50S亚基的核糖体蛋白质L10e中的肽链可能一路延伸至肽基移位中心,起到了和核糖体蛋白质L27同样的作用。
但为什么没有在施泰茨获得的50S亚基结构中观察到延伸的肽链呢,对此,他们解释这是因为在A位点和P位点缺乏对tRNA的稳定束缚而使肽链具有流动性。
如果是这样,就可能意味着,虽然tRNA和rRNA的是肽键形成的主要催化剂,但在细菌、古菌和真核生物中,核糖体蛋白质也可能对这个反应发挥了重要作用【4】。
4 核糖体亚基结构和抗生素近几年,基于结构的药物设计(StructureBased Drug Design,SBDD),其中包括用于新药设计的药物标靶高分辨率结构和它们的抵抗突变,取得了很有前景的成果,例如有关探索抵抗艾滋病毒感染的研究。
迄今为止, 50%抗菌药物的标靶都是核糖体,因此核糖体30S和50S亚基高分辨率结构的建立开创了新型有效药物的SBDD与细菌病原体发展进行竞赛的可能性。
图3 抗生素“攻击”50S核糖体亚基的肽基移位中心许多不同类型的抗生素药物,如大环内酯类抗生素,能结合细菌核糖体50S亚基的肽基移位中心(如图3所示);还有一些临床上广泛应用的抗生素如氨基糖苷类抗生素,是以30S核糖体亚基作为标靶【5】。
抗生素通过结合细菌的核糖体亚基,可以阻碍氨基酸的聚合以干扰细菌蛋白质的合成,从而导致其死亡。
5 研究成果的现实意义和发展前景高分辨率核糖体结构模型的建立和功能机理的研究有助于解释核糖体如何作用形成蛋白质,从而使人们更深入地理解基因的表达、复制和重组。
同时这个研究支持了基因物质RNA的形成先于蛋白质的理论,提示地球上的生命可能起源于RNA而非蛋白质。
此外,核糖体结构的确定对于以靠近活性位点的区域为目标设计新的抗生素药物有很大的实际意义和应用价值,它直接帮助人类治疗疾病,缓减病痛。
不久的将来,有关核糖体结构和功能的研究还有很多值得我们期待的地方。
例如,目前在核糖体功能机理中,由核糖体进行的共价反应步骤的化学机制依然保持着神秘。
而tRNA怎样能如此高精确地区分它们的同源密码子和近似同源密码子,至今仍是未解答的问题。
最后抗生素药品和核糖体基因突变如何能调整密码子阅读的准确性也还需要科学家们进一步探索。
参考文献[1] 朱玉贤, 郑晓峰, 李毅.现代分子生物学.第3版,北京: 高等教育出版社, 2007:35-49[2] 柳树群, 刘次全.生物化学与生物物理进展, 2000,27 (2):161-166[3] 吴晓华, 刘望夷.生命的化学, 1996,16(3):1-4[4] Mans Ehrenberg.Scientific Background on the Nobel Prize in Chemistry 2009./nobel_prizes/chemistry/laureates/2009/cheadv09.pdf.2009-10-07[5] 范铭琦, 赵敏, 范瑾.中国新药杂志, 2006,(9):18-24。