【PDB-101】2021年1月 月度分子:基因表达复合体(表达体)【搬运·翻译】
——细菌的核糖体等不及mRNA转录完成就会开始合成肽链

我们细胞里的转录和翻译是在不同的地方进行的:DNA在细胞核内被转录成信使RNA(mRNA),然后mRNA在细胞质里被翻译为蛋白质。然而细菌跟我们不一样,它们的转录和翻译在同一个地方进行,这样一来这两件事就有可能互相干扰。说来有趣,在细菌的神操作下,这种干扰反倒成了件有利可图的事。mRNA一开始转录,核糖体就会开工,它对新生mRNA链的拉扯反过来可以促进mRNA的持续合成。
柔韧的连接
当然了,通常而言,细菌也不会放任核糖体和RNA聚合酶追尾似的撞在一块儿。它们派转录延伸因子去把RNA聚合酶和核糖体连接在一起,使得它们之间的距离不近不远刚刚好。干这种活儿的转录延伸因子,比如NusG和NusA,都是柔术高手。在它们的操持下,聚合酶和核糖体之间总是留有恰到好处的空当,让核糖体可以愉快地完成将氨基酸添加到新肽链上所需的一系列小动作。
行动中的表达体
像这样的一个RNA聚合酶、一个核糖体和其他一些跟它俩有关系的大分子加在一起,组成的大家伙就是所谓的“基因表达复合体”(简称“表达体”,expressome),或称“转录-翻译复合体”(transcription-translation complex, TTC)。名叫NusG和NusA的小蛋白在RNA聚合酶和核糖体小亚基之间牵线搭桥,把刚从RNA出口通道探出头来的新生mRNA安置在进入核糖体的最佳位置(详见PDB条目6x9q)。
碰撞复合体

不难想象,像这样的大块头复合体并不是容易对付的研究对象。为了看清楚它们的结构,研究者们尝试了好几种办法。有一项时间较早的研究(得到的结构在PDB条目5my1,这里没有展示)的方法是暂停RNA聚合酶的工作,让核糖体撞在它身上。最近的另一项研究用一小段RNA把聚合酶和核糖体“拴”在一起,得到的结构在PDB条目6ztm(上图左侧)和6vu3(这儿没展示)当中,跟那项早期研究获取的结构还蛮相似的。相比之下,当转录延伸因子NusG/NusA(见上图右侧)参与进来时,聚合酶和核糖体之间的距离拉远了些,彼此的相对朝向也跟“撞车”时迥然不同。
探索结构:行动中的表达体

欣赏表达体的结构能带给你一种不一样的享受——整个中心法则就这样被浓缩在一个小小的结构当中。这里展示的结构来自PDB条目6ztj。图片上部有一小段DNA,它的双链被RNA聚合酶撑开,形成了一个转录泡。正在被转录出来的mRNA向下延伸入核糖体,在那里tRNA按照它身上的密码子排排站,合成新的蛋白质。在上图所示的结构中,一个苯丙氨酸(白色)占据了新肽链应该处于的位置。要想探索这个结构的更多细节,请去原网页查看可互动的JSmol文件。
更多话题
如果你想研究表达体结构图像“幕后”的冷冻电镜数据,不妨前往EMDataResource看一看。PDB条目6x9q对应的EMDataResource页面(网址:https://www.emdataresource.org/EMD-22107)是个不错的开始。

昨天预告的表达体在这里=w=这玩意儿在去年1月把我狠狠地惊艳到了,可惜当时并没有翻译的时间……而将近两年后的现在再看,它还是让我感觉妙不可言。(好像莫名其妙地押韵了……?)基因表达的重量级成员在柔韧灵活的结构性蛋白(也就是NusG、NusA之类)的帮助之下组装为精巧的复合体(或是超复合体——看你个人喜好喽),形成高效的蛋白质合成流水线,——我甚至想用“优雅”来形容它们的合作。我大约四年前在Cell杂志的图片展看到一张有关核糖体的图片,下面的介绍里说核糖体就像交响乐团的指挥,参与翻译的其他蛋白和核酸就好比乐手(尽管原文说的是乐器),核糖体组织着它们在合适的时间、按正确的顺序做它们该做的事情,演奏出足以让海顿都赞叹不已(原文如此( ̄▽ ̄)/)的“蛋白质合成交响曲”。表达体让我再次想到了这个奇妙的比喻。
补充一句,我上面说的这张图是图集RNA Therapeutics里的第六张(网址:https://www.cell.com/pictureshow/rna-therapeutics),图片的题名叫Symphony No. 70S in Ribo Major,玩的双关梗很有趣(图上的是细菌70S大亚基,所以“交响曲”的编号是No. 70S;某某major作为音乐术语是某某大调的意思,这里双关了“大”亚基)。这图集里的图以及图下面的介绍都挺有意思的(尤其如果你跟我一样对RNA有兴趣的话),比如第一张图的介绍开头引了一句Harry Noller的话:“话说很久很久以前的某天,RNA学会了走路,于是生命诞生了。”当然,Cell Picture Show里的图集都很好玩。可惜现在Cell官网似乎得翻墙才能上,如果你有翻墙能力的话,务必去养一养眼。
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。
作者:David S. Goodsell
原文网址:https://pdb101.rcsb.org/motm/253
PDB-101首页:https://pdb101.rcsb.org
RCSB PDB首页:https://www.rcsb.org
封面图来源:Wang, C., Molodtsov, V., Firlar, E., Kaelber, JT., Blaha, G., Su, M., and Ebright, RH. Structural basis of transcription-translation coupling. Science 369, 1359-1365 (2020). DOI: 10.1126/science.abb5317
↑这篇文献也是本文第一幅图使用的结构出处,其对应的PDB ID为6x9q。