SMN复合体组装U7小核糖核蛋白复合体核心结构的机制

Small nuclear ribonucleoproteins (snRNPs), including spliceosomal snRNPs (U1, U2, U4 and U5) and U7 snRNP, are conserved and vital non-coding RNA-protein complexes in eukaryotes, playing essential roles in the pathway of genetic information transduction. The formers play major roles in splicing of pre-messenger RNAs and the latter is a key factor in the special 3’-end processing of the pre-messanger RNAs of histone genes. Both types of snRNPs share a similar core architecture consisting of 1 RNA and 7 Sm proteins which form a ring around the RNA. Their core architectures are assembled inside cells with the mediation of the SMN complex. However, spliceosomal and U7 snRNP cores are different in that the former has one of the four spliceosomal snRNAs (U1, U2, U4 and U5 snRNAs, all containing a canonical Sm site, AAUUUUUGGAG) and SmD1/D2 heterodimer whereas the latter contains a U7 snRNA (containing a special Sm site, AAUUUGUCUAG) and Lsm10/11 heterodimer in equivalent places. While the assembly mechanism of spliceosomal snRNP core mediated by the SMN complex is preliminarily uncovered, How U7 snRNP core is assembled is little known. In this proposal, we plan to study how the SMN complex recognizes Lsm10/11 heterodimer, comparing with its recognition of SmD1/D2, and how Lsm10/11 specifically directs the binding of U7 snRNA instead of splicosomal snRNAs in the assembly of U7 snRNP core at biochemical and structural levels. The completion of this proposal will reveal the mechanism of U7 snRNP core assembly mediated by the SMN complex and explain the structural basis for the difference and specificity between spliceosomal and U7 snRNP core architectures and their assemblies.

小核糖核蛋白复合体(snRNP)包括剪接体snRNP和U7 snRNP两类，是真核细胞中极其保守的非编码RNA-蛋白复合体。前者负责前体mRNA的剪接；后者仅负责5种组蛋白基因转录产物前体mRNA3’-端的特异性加工。它们都有一个相似的7个Sm蛋白环绕1个RNA形成的环状核心结构，并且其核心结构都由SMN复合体组装。不同的是U7 snRNP核心结构中U7 RNA和Lsm10/11蛋白取代了剪接体snRNP中的RNA和SmD1/D2。剪接体snRNP核心结构的组装已初步清楚，SMN复合体如何组装U7 snRNP核心结构却知之甚少。我们拟通过生化、结构生物学等方法研究SMN复合体中谁识别Lsm10/11和如何识别，以及U7 RNA如何特异组装进U7 snRNP复合体等基本生物学问题。本课题将揭示U7 snRNP核心结构的组装机制，解释SMN复合体同时组装两类snRNP的机制。

小核糖核蛋白复合体(snRNP)包括剪接体snRNP和U7 snRNP两类，是真核细胞中极其保守的非编码RNA-蛋白复合体。前者负责前体mRNA的剪接；后者负责组蛋白基因转录产物前体mRNA的3’端的特异性加工。它们都有一个相似的7个Sm蛋白环绕1个RNA形成的环状核心结构（Sm核心）。虽然体外Sm核心可以自行组装，但在细胞中需要由SMN复合体（脊椎动物细胞中有9个成员蛋白：SMN,Gemin2-8和unrip）帮助组装。从1997年发现SMN复合体作用以来，它如何组装Sm核心的机制一直没有解决。比如早在2002年人们已经知道SMN复合体发挥了增加RNA组装进入Sm核心的特异性，避免Sm蛋白组装在其它RNA上的作用。但这十多年的研究一直没有解决SMN复合体如何增加RNA组装特异性这一关键性的机制问题。另外SMN复合体在帮助snRNP核心组装之后如何解离下来也一直是该领域的不解之谜。我们项目资助期间主要研究SMN复合体组装这两类snRNP中Sm核心的机制，解决了以上两个基本问题。.我们综合性地运用了生化和结构生物学的手段，细致研究了SMN复合体开始结合SmD1/D2/F/E/G（5Sm）形成7S复合体，再到形成Sm亚核心，最后到Sm核心组装完成的过程，发现了SMN复合体组装Sm核心的全新机制：结合在马蹄状5Sm外部的Gemin2使5Sm构象变窄，限制了RNA结合进入5Sm内部，增加了RNA组装特异性，优先允许正当的包含snRNP码的RNA结合5Sm；而正当的RNA与5Sm的结合使后者构象变宽，降低了Gemin2与5Sm的结合，从而使Gemin2/SMN解离下来。同时5Sm构象变宽也使SmD3/B可以结合完成Sm核心的组装，并促进Gemin2/SMN解离。我们进一步总结此机制为Gemin2和RNA在结合5Sm时的负协同相互作用。并且我们还阐释了这些变化在原子水平上的结构基础。此机制一箭双雕，同时解开了以上两个持续多年的不解之谜。此机制适用于所有真核细胞中剪接体和U7 snRNP核心的组装。另外，此机制的阐明对于由于SMN蛋白表达不足引起的人类运动神经元退行性疾病脊髓性肌肉萎缩症的病生理研究也具有指导意义。