人源线粒体RNase P复合体介导tRNA成熟的结构与功能研究

tRNAs plays an important role in transferring genetic information from DNA to protein. Pre-tRNAs are extensively processed to generate functional tRNAs. The maturation of tRNA is first performed by the endoribonuclease RNase P, which hydrolyzes 5' leader sequences from the pre-tRNAs. RNase P is classically consist of a main RNA segment and several proteins, and the P RNA acts as the catalytic domain. However, the newly identified human mitochondrial RNase P is unique in that it is composed of three proteins MRPP1-3. MRPP3 is active only in the presence of MRPP1 and MRPP2. Moreover, the subcomplex MRPP1/2 is sufficient for N1-methylation of both A and G of mitochondrial tRNAs. Mutations of MRPP1-3 also lead to several mitochondrial diseases. The mechanism of this newly identified RNase P is poorly understood. Here, we hope to elucidate the structural and functional mechanism of mt-RNase P in mitochondrial tRNA maturation, and provide theoretical basis for the study of the mitochondrial function and related diseases.

tRNA是遗传信息传递过程中的重要适配因子。前体tRNA需经过一系列剪切修饰才能发挥功能，其中RNase P是tRNA5'末端成熟过程中的关键酶，其功能异常会导致基因翻译功能受阻。以往报道的RNase P是核酶复合体，由RNA亚基和蛋白亚基组成，RNA分子发挥剪切功能。最近研究发现人源线粒体RNase P不含有RNA组分，只由三个蛋白亚基MRPP1、MRPP2和MRPP3组成，MRPP3在其他亚基的辅助下发挥剪切功能；此外MRPP1/2亚复合体还具有甲基转移酶活性。临床研究表明MRPP各亚基突变会导致多种线粒体疾病。这一新型RNase P的作用机制及致病机理尚不清楚。我们希望通过结构生物学、生物化学及细胞生物学方法研究人源线粒体RNase P的结构与功能，解释其介导线粒体tRNA成熟的分子机制。该研究有望解释MRPP突变导致线粒体疾病的原因，并加深对线粒体转录及翻译功能的了解。

线粒体是真核细胞通过氧化产生能量的核心细胞器，是三羧酸循环和氧化磷酸化的重要场所，线粒体功能异常会导致多种线粒体疾病。线粒体的基因组上，编码tRNA、mRNA和rRNA的基因镶嵌排列，转录形成的产物需要经过一系列剪切和修饰才能产生成熟的RNA。RNase P是tRNA成熟过程中的关键酶，负责切除tRNA前体（pre-tRNA）的5’末端前导序列介导tRNA成熟。人源线粒体RNase P（mt-RNase P）复合体由三个蛋白亚基（MRPP1、MRPP2和MRPP3）组成的。其中，核酸内切酶MRPP3是催化亚基，在MRPP1和MRPP2的辅助下发挥剪切功能。MRPP1、MRPP2或MRPP3的突变均可导致以神经退行性疾病及心肌症为表征的线粒体疾病。线粒体同样又是三羧酸循环的重要场所，酮戊二酸脱氢酶复合体OGDHC是线粒体三羧酸循环的重要限速酶，能够催化α酮戊二酸转变为琥珀酰辅酶A，并释放CO2和NADH。在阿尔兹海默症和帕金森症患者体内，均观察到OGDHC活性的明显下降。.线粒体功能的正常维持至关重要，但是无论是新型RNase P的作用机制研究还是代谢酶OGDHC的作用机制均不够清楚。及我们通过结构生物学、生物化学方法结合质谱等发法对人源线粒体RNase P蛋白的OGDHC的OGDH亚基进行了结构与功能研究。我们通过冷冻电镜方法对RNase P和OGDH进行了三维结构解析，最终解析了人源线粒体OGDHC的OGDH亚基的冷冻电镜结构，从原子水平揭示了其催化底物的作用机制。我们进而通过IP质谱方法找到了其特异性互作蛋白-新型调控因子TCAIM，该蛋白可以特异性和OGDH结合。我们通过冷冻电镜方法解析了OGDH-TCAIM的三维结构，从原子水平解释了其互作机制。为线粒体三羧酸代谢研究提供了理论依据。