基于冷冻电镜三维重构的核糖体生物合成过程中的cpGTPase的结构和功能研究

核糖体是一切生物体内合成蛋白质的大分子机器。其生物合成是一个多步骤的包括众多蛋白因子参与的过程。在这些因子当中，有一类叫做（circularly permutated）cpGTPase的尤其重要。它们包括与核糖体大亚基成熟相关的YlqF和与小亚基成熟相关的RsgA和YqeH。这些cpGTPase的具体工作机理目前尚未清楚，与之相关的结构生物学研究也才刚起步。本课题拟采用冷冻电镜三维重构与生化方法相结合的手段研究原核生物核糖体cpGTPase的结构和功能，包括研究这类cpGTPase在核糖体亚基成熟过程中的具体工作机理，以及解析它们与核糖体亚基或者亚基前体形成的复合物的三维结构。对参与原核生物核糖体合成过程的这些cpGTPase相关的结构生物学研究不仅可以更加深入的了解这一生命基本过程，更重要的是可以促进针对这一过程的新型抗生素药物的筛选和开发，大大缓解现有的抗生素耐性问题。

核糖体是所有生物体中蛋白质的合成场所，负责翻译mRNA的遗传信息并合成肽链。在已知的抗生素中，有超过一半的抗生素直接作用于核糖体，通过抑制蛋白质翻译中的不同过程从而发挥其抗菌作用。在核糖体从前体走向成熟的过程中，有数以百计的蛋白和核酸因子参与其中，这些都成为抗生素的潜在作用靶点。从原核生物到真核生物，尽管核糖体的大小和分子组成都发生了变化，但其最基本的三维结构以及功能实现的机理都是高度保守的。参与核糖体生物合成的蛋白因子中包含众多保守的GTPases，研究这些因子在核糖体组装过程的分子机制具有重要科学意义和实用价值。.本课题组采用冷冻电镜三维重构和生物化学、分子生物学手段相结合的方法，对核糖体生物合成中起重要作用的大亚基组装因子ObgE、YlqF，核糖体小亚基RsgA、RimM、RbfA、YqeH等分别进行研究，得到了一系列重要的原创成果。我们运用冷冻电镜三维重构方法分别获得了HflX、ObgE和核糖体大亚基复合物的高分辨三维结构，同时发现ObgE不仅参与核糖体大亚基的组装过程，同时HflX和ObgE还可以协助细胞响应热激反应或者氨基酸饥饿等严紧反应，帮助细胞应对不良的生长环境。此外，我们从rsgA/rbfA、rimM、ylqF等基因缺陷菌株中提取不成熟的核糖体，综合冷冻电镜单颗粒三维重构中的分类方法，捕捉到核糖体大亚基和小亚基成熟过程中的多个重要的中间体。这些蛋白因子和核糖体亚基复合物的三维结构的解析，不仅揭示了这些因子的分子机理，在科学研究上有重要意义，有助于我们更深入地了解核糖体生物合成这一基本生命过程，更重要的是这一研究还将有很广阔的药物开发潜力，对国民健康和卫生事业的发展有着深远的影响。