【PDB-101】2008年11月 结构生物学亮点：“清道夫”mRNA脱帽酶DcpS【搬运·翻译】

  信使RNA（mRNA）是寿命短暂的分子。我们细胞的mRNA平均寿命在10小时左右，当然具体数值在不同mRNA间变化很大。比如说，编码那些执行基础功能的“看家蛋白”——像是参与生物合成、分解代谢途径的酶——的mRNA寿命普遍相当长，有的能在胞质里优哉游哉好几天；另一方面，编码那些功能与时间紧密挂钩的蛋白——像是转录因子——的mRNA就比较惨了，可能几分钟也活不过。细胞对某一mRNA含量的调控是在它生命的两端同时进行的：一端是DNA转录生成新mRNA的速率，另一端就是干完活儿了的mRNA被降解掉的速率。

降解，脱帽

    mRNA的两端都带有保护措施。它们前面戴着一顶“帽子”，其本质上是个用独特的方式连接在RNA分子上的、甲基化了的鸟苷酸；后面拖着一条尾巴，组成它的就是一长串腺苷酸。细胞用来降解mRNA的途径大体上有两条，去除这些保护措施的方法也就相应地有两种。这两条途径的开头是一样的——都需要先去掉mRNA的尾巴，不过在此之后对付帽子的方法就不一样了。其中一条途径比较简单粗暴，直接请专业的脱帽酶先把帽子去掉，然后让核酸外切酶（ATP注：通常都是Xrn1，一个极其辛勤（误）的5'→3'外切酶）一个核苷酸、一个核苷酸地把mRNA从头到尾切得粉碎。另一条途径则暂时忽略帽子，叫外切体（ATP注：是个多蛋白复合物，具有3'→5'外切酶和内切酶双重活性）来按照从末端到头端的方向降解mRNA。然而，外切体只凭自己的力量并不能把活儿干完。经过它手的mRNA总会剩下那么一小截，其上的帽子完好无损。这个时候，就轮到我们号称“清道夫”（scavenger）的脱帽酶DcpS大显身手了。它专挑加了帽的寡核苷酸下手，切掉末端的帽子结构，为整条降解途径画上句号。

没得感情的脱帽机器

    DcpS是个二聚体，具有数个可以活动的结构域。它的两条肽链都各自折叠出两个结构域，中间被柔韧的连接区段连在一起；这两条肽链又肩贴肩地靠在一起，组装成的完全体具有两个活性位点，位于各单体两个结构域中间形成的沟槽之内。两个亚基各自的N末端结构域（图上蛋白的上部）通过“结构域交换”式的相互作用（ATP注：即domain swapped interaction，是蛋白质形成寡聚体的方式之一；如果不熟悉的话，可以到最后面看详细注释~）把彼此拴在一块儿，同时借此将整个复合体粘在一起。DcpS没结合底物时的结构是对称的，来自PSI结构基因组学联合中心（PSI Joint Center for Structural Genomics）的小鼠DcpS结构图像（PDB条目1vlr，上方所示）首次展示了这一点。

寻找抑制剂……

    通过研究结合底物或抑制剂的DcpS的结构，研究者发现它的N末端结构域可以前后摆动，某一边有底物进来时就将这边的活性位点封闭，催化完成后再移开。最近，在PSI基因-3D结构加速技术中心（PSI Accelerated Center for Gene to 3D Structure）的帮助下，第一批DcpS与抑制剂结合的结构已获解明。这批结构（比如下面JSmol展示的来自PDB条目3bla的结构）中，DcpS的一个活性位点紧紧地包围着抑制剂分子，另一个活性位点则被困在无法进行催化的开放构象当中。

……兼药物

    上面提到的那些抑制剂是在寻找针对脊髓性肌萎缩（spinal muscular atrophy, SMA）的药物时得到的部分成果。SMA是导致婴儿死亡的最常见的遗传障碍，其罪魁祸首是SMN1基因的缺陷。令人惊喜的是，有个叫做SMN2的基因可以替代SMN1的功能，但必须得被过度激活得超出正常水平才行。人们发现，DcpS抑制剂可以通过阻碍DcpS的功能激活SMN2，最终使得SMN基因们的mRNA水平整体得到提高。

清道夫脱帽酶DcpS（PDB条目3bla）

        DcpS是个同源二聚体，由两个相同的亚基组成。在本图中，DcpS的N末端结构域为蓝色，C末端结构域为梅红色。一个亚基的颜色较为鲜亮，另一个则较暗淡。注意N端结构域摆向蛋白的一侧，紧密地结合在其中一个抑制剂分子（绿色）的周围。也请注意N端结构域间大范围的“结构域交换”现象。

    很久没有翻译Structural Biology Highlights的文章了……还是之前翻一篇跟GPCR相关的月度分子（肾上腺素受体）的时候突然想起来还有这么个东西的（大雾），因为SBH系列里有篇统括地讲GPCR的文章。至于为什么本次我选的是这个，一是因为SBH这个系列是我在搜DcpS时偶然发现的，二是真核生物的mRNA降解也是我非常感兴趣的领域。（事实上，我喜欢上这个领域比我喜欢上离子通道还早！）好啦，不废话了，我在这里把空间留出来，用来解释一下文中出现的一个有趣的术语——结构域交换。

    假如说我们有这么一类蛋白，它有两个结构域，中间由一条“铰链”连接着，我们用A-B来表示它的结构。A结构域和B结构域能发生相互作用，让蛋白折叠成紧凑的结构。现在，想象这类蛋白里有两个个体，一个叫A1-B1，一个叫A2-B2。等一等——我只说A结构域能和B结构域结合，可并没有限制说“A结构域只能与跟它在同一条肽链上的B结构域结合”啊！这样，A1当然可以与B2结合，B1也肯定能够与A2结合，于是它俩就愉快地形成了一个二聚体！这就是所谓的“结构域交换”现象，因为就像是两个蛋白互相交换结构域来达成结合一样。在很多寡聚体甚至多聚体蛋白的结构上都能看见类似于结构域交换的现象。当然，光看文字还是没那么直观，我们上图：

    看完之后，不妨试着去观察一下本文中出现的DcpS结构，找一找结构域交换的迹象！

因技术与能力限制，请前往原网页以查看原文中所有超链接以及可互动的JSmol文件。

强烈推荐去PDB-101官网查看原文，顺便探索一下这个干货满满的科普平台。

封面出处：Gu, M., Fabrega, C., Liu, SW., Liu, H., Kiledjian, M., and Lima, CD. Insights into the Structure, Mechanism, and Regulation of Scavenger mRNA Decapping Activity. Mol Cell 14, 67-80 (2004). DOI: 10.1016/s1097-2765(04)00180-7

作者：David S. Goodsell

原文网址：https://pdb101.rcsb.org/learn/structural-biology-highlights/scavenger-decapping-enzyme-dcps

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