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生物物理所揭示鋅指抗病毒蛋白ZAP識別RNA的分子機制

2020-01-10 生物物理研究所
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  2020年1月7日,Cell Reports 雜志在線發表了中國科學院生物物理研究所高璞課題組與高光俠課題組合作的研究論文“Molecular Mechanism of RNA Recognition by Zinc-finger Antiviral protein”。該研究工作解析了鋅指抗病毒蛋白ZAP N端抗病毒主要功能域與富含CG二核苷酸的單鏈RNA復合物的高分辨率晶體結構,揭示了鋅指抗病毒蛋白ZAP識別單鏈RNA中CG二核苷酸、單獨鳥嘌呤核苷酸以及單獨胞嘧啶核苷酸的分子基礎。

  鋅指抗病毒蛋白ZAP最早由高光俠于2002年報道,是對于小鼠白血病病毒的復制具有抑制作用的一種宿主因子。隨后的研究發現ZAP特異性抑制多種疾病相關病毒在宿主細胞內的復制,包括艾滋病病毒、埃博拉病毒等。ZAP特異結合病毒的靶RNA序列,干擾靶mRNA的翻譯起始。隨后ZAP招募細胞內一系列RNA降解機器,包括脫polyA酶PARN、脫帽酶Dcp2、RNA解旋酶p72、核酸外切酶復合體Exosome等降解病毒mRNA。ZAP發揮其抗病毒功能的結構域主要是N端的200多個氨基酸,其晶體結構在2012年時已經被解析,是一種含有四個CCCH類型鋅指結構的蛋白分子。然而,ZAP識別RNA的序列特征卻一直不清楚。根據2017年的一篇Nature文章報道,ZAP能夠特異性識別富含CG的RNA序列。那么ZAP是如何識別CG二核苷酸?除CG二核苷酸之外,ZAP是否還能結合其他的RNA元件呢?再有,ZAP 的主要抗病毒功能域僅有200多個氨基酸,是如何協調多個下游蛋白發揮抗病毒作用的?為回答這些科學問題,研究人員開展了大量的ZAP與RNA復合物結構的研究。

  首先,研究人員對不同ZAP蛋白的截短體和不同序列、不同長度富含CG二核苷酸的單鏈RNA復合物進行了大量的晶體篩選,最終得到了分辨率為2.19埃的ZAP蛋白N端結構域(NZAP)與6-nt(CGUCGU)單鏈RNA復合物的晶體結構。在復合物結構中G2-U6五個核苷酸來自一條RNA鏈結合在一個NZAP分子上,C1胞嘧啶核苷酸結合在NZAP對稱分子的一個結合口袋中。與單獨蛋白NZAP結構相比,NZAP與RNA復合物結構仍是采取“tractor-like”的構象。通過將復合物結構和單獨蛋白結構疊加發現,結合RNA的四個鋅指結構的構象都發生了大的變化。NZAP與RNA間的相互作用主要是與RNA上核苷酸堿基間的相互作用,而非磷酸核糖骨架,并且這些堿基都是插入到NZAP一些帶正電荷的氨基酸形成的結合口袋中,這個特點也決定了NZAP只能結合單鏈RNA,而不能與高級結構的RNA形成相互作用。其中C4G5二核苷酸主要結合在ZAP蛋白的第二個鋅指區域處,C1主要結合在第三和第四個鋅指區域之間,G2主要結合在第三個鋅指區域處,并且這三個區域結合的核苷酸都是特異性的。

  基于該結構,研究人員通過ZAP蛋白與不同序列單鏈RNA的ITC結合實驗,篩選到優選的ZAP結合RNA motif,即C(n7)G(n)CG,并通過抗病毒實驗確證了該motif的重要性。隨后,研究人員在ZAP蛋白上構建了一系列突變,并通過EMSA和抗病毒功能分析,確證了ZAP上的這些位點對RNA結合和抗病毒功能的重要性。

  同時研究者還發現,如果RNA上存在多個ZAP-binding motif,RNA可同時結合多個ZAP分子。由此可以推測,多個ZAP分子結合在同一條mRNA上,分別招募下游的不同細胞因子,協同發揮RNA降解功能。

  生物物理所研究員高璞和高光俠為文章的通訊作者。高璞課題組的博士研究生駱秀和高光俠課題組的副研究員王新路為文章的共同第一作者。上海光源在晶體衍射數據收集過程中給予了幫助,生物物理所平臺的博士陳媛媛在ITC實驗方面給予了大量的幫助。該工作得到國家重點研發計劃、中科院B類戰略性先導科技專項、國家自然科學基金的資助。

  文章鏈接

圖:鋅指抗病毒蛋白ZAP N端結構域與單鏈RNA的復合物結構

打印 責任編輯:葉瑞優

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