揭秘SecM阻滞肽如何调控蛋白质合成：高分辨率结构与动态模拟研究

The SecM arrest peptide traps a pre-peptide bond formation state of the ribosome

Gersteuer, F., Morici, M., Gabrielli, S. et al. The SecM arrest peptide traps a pre-peptide bond formation state of the ribosome. Nat Commun 15, 2431 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-46762-2

细胞为了精确调控特定基因的表达，进化出了多种后转录调控途径。其中，一种策略是利用特定的新生多肽链（NC）通过在顺式作用下抑制正在翻译它的核糖体。这类“阻滞肽”通常编码在上游开放阅读框（uORFs）中，通过诱导翻译停滞来调控下游基因的表达。本研究围绕大肠杆菌分泌监测（SecM）阻滞肽的结构与功能展开，揭示了SecM如何通过稳定A位点的Pro-tRNA，但以一种阻止与P位点SecM肽酰-tRNA形成肽键的方式，来阻滞翻译。通过分子动力学模拟，研究还提供了SecM新生链受拉力时如何解除SecM介导的翻译阻滞的见解。这些发现对于理解SecM阻滞及解除机制具有重要意义，并可能适用于广泛细菌谱系中识别的调控蛋白质定位机制组件的其他多种阻滞肽。

背景信息

SecM阻滞肽是大肠杆菌中调控下游secA基因表达的关键因素。SecA是一种ATP酶，与SecYEG蛋白传导通道协作，促进分泌蛋白质进入和穿过细胞膜。SecM通过在secM uORF的翻译过程中引起翻译停滞，从而暴露下游RBS并促进secA基因的翻译。SecM与SecA的相互作用通过从核糖体隧道共同翻译出来的SecM N端信号序列施加拉力，从而解除SecM介导的翻译阻滞。

图 2 | SecM肽在NPET内形成α螺旋结构。a NPET横截面显示P-tRNA（淡紫色）和SecM（青色）与uL4（浅金色）、uL22（金色）和uL23（深金色）的空间关系。b SecM（青色）与P-tRNA（淡紫色）的Cryo-EM密度（透明青色，阈值0.008/约2.6σ）与uL4（浅金色）、uL22（金色）和uL23（深金色）的关系。c SecM（序列）在NPET内的二级结构预测（Pred.）和概率（Prob.）。d SecM（青色）在NPET内的螺旋区域及潜在氢键（虚线橙色）。e SecM螺旋轴向下截面视图，非极性氨基酸以黄色表示，极性氨基酸以蓝色表示。f SecM（青色）与P-tRNA（淡紫色）的结构与uL4（浅金色）、uL22（金色）和uL23（深金色）的关系。g Myc-SecM（PDB ID 3JBU）24与P-tRNA（橘黄色/黄色）的关系以及uL4（浅玫瑰色）、uL22（玫瑰色）和uL23（深玫瑰色）。h SecM（f）和SecM3jbu（g）的叠加（基于23S rRNA对齐），两个模型中F150位置的距离用箭头标出。

研究目的和意义

本研究的目的是通过高分辨率的冷冻电镜（cryo-EM）结构，揭示SecM如何在翻译过程中阻滞核糖体。研究发现SecM通过与A位点的Pro-tRNA相互作用，稳定了其在A位点的位置，但阻止了与P位点的SecM肽酰-tRNA形成肽键。此外，研究还通过分子动力学模拟，提供了SecM新生链受拉力时如何解除SecM介导的翻译阻滞的见解。这些发现对于理解SecM阻滞及解除机制具有重要意义，并可能适用于广泛细菌谱系中识别的调控蛋白质定位机制组件的其他多种阻滞肽。

研究方法概述

研究团队采用了冷冻电镜技术，获得了大肠杆菌SecM阻滞肽在全长状态下的核糖体停滞复合体（SRC）的2.0 Å分辨率结构。与此同时，研究者还进行了分子动力学模拟，以探究SecM新生链受到拉力时，SecM介导的翻译阻滞是如何被解除的。

图 5 | SecM介导的PTC排列导致翻译停滞的模型。a 预攻击状态（PDB ID 8CVK）67的PTC视图，显示P位点的三肽酰-NH-tRNA（绿色/深紫色）和A位点的苯基-NH-tRNA（石板蓝色/棕色）。A-tRNA的攻击胺基与P位点的羰基碳之间的距离用双箭头表示。b 与（a）相同的视图，但对于SecM-SRC，SecM-tRNA（青色/淡紫色）位于P位点，Pro-tRNA（葡萄色/鲜肉色）位于A位点。c （a）和（b）的叠加（基于23S rRNA对齐），突出显示A位点的攻击胺基与P位点的羰基碳之间距离的差异。d PTC的示意图，显示了A位点tRNA的α-氨基如何被P位点tRNA的2’OH提取质子，从而增加了α-氨基的亲核性，促进了核糖体P位点的第一个氨基酸的羰基碳上的孤对电子的亲核攻击。

论文组织结构

本导读文章首先介绍了SecM阻滞肽的背景信息，然后阐述了研究的目的和意义。接着，详细描述了研究方法，包括冷冻电镜技术的使用和分子动力学模拟的实施。最后，通过对SecM阻滞肽的结构和功能的深入分析，提出了SecM如何调控蛋白质合成的新模型。

本研究的发现不仅为理解SecM阻滞肽的作用机制提供了新的视角，也为研究其他细菌中的类似阻滞肽提供了理论基础。此外，这些成果对于开发新的抗生素和理解蛋白质合成调控具有潜在的应用价值。

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