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国际学术期刊《核酸研究》(Nucleic Acids Research)8月23日在线发表了中科院上海生科院生物化学与细胞生物学研究所王恩多研究组最新研究成果Aminoacylation and translational quality control strategy employed by leucyl-tRNA synthetase from a human pathogen with genetic code ambiguity。
亮氨酰-tRNA合成酶(LeuRS)在体内负责催化亮氨酸和对应tRNALeu之间的酯化反应(氨基酰化反应)，生成亮氨酰-tRNA(Leu-tRNALeu)，为蛋白质生物合成提供原料。该酯化反应对于保证核糖体上新生多肽链一级序列的精确性至关重要。由于细胞内存在22种蛋白质氨基酸以及大量的氨基酸代谢物和类似物，某些氨基酰-tRNA合成酶(aaRS)会错误地活化非对应氨基酸。因此，aaRS进化出编校功能(proofreading/editing)以去除在氨基酸选择上的错误。
在人类致病菌白色念珠菌(Candida albicans又称白假丝酵母菌)的细胞质翻译体系中，常规的Leu密码子CUG被进化产生的一个独特的tRNASer(CAG)解码，该tRNASer既可以被丝氨酰-tRNA合成酶(SerRS)识别产生Ser-tRNASer, 又可被C. albicans LeuRS(CaLeuRS)识别产生误氨基酰化的Leu-tRNASer，导致C. albicans的蛋白质组中约97% CUG被翻译为Ser，而3%的CUG被翻译为 Leu, 因此具有天然的紊乱性(ambiguity)。由CUG所调控的紊乱性对于C. albicans中某些蛋白质活力与该物种的生长发育具有重要的意义。但是CaLeuRS怎样确保非蛋白质氨基酸(例如正缬氨酸Nva、α-氨基丁酸ABA等)接载到tRNALeu以及tRNASer上的机理以及LeuRS怎样识别tRNASer的机理并不清楚。
王恩多研究组的副研究员周小龙等最新研究发现，在C. albicans中，CaLeuRS以CaLeuRS-Leu919和CaLeuRS-Ser919两种形式存在，即在其C-末端919位处可以是Leu也可以是Ser; 由CUG编码的Leu或者Ser的插入可以微调LeuRS的活力；酵母LeuRS比其他生物来源的LeuRS具有更为广泛的识别底物的能力；CaLeuRS可以强烈误活化Nva, 但对ABA具有高效的区分能力；最为有趣的是，发现CaLeuRS不具有依赖tRNA的转移前编校，转而依赖于有效的转移后编校水解Nva-tRNALeu以及Nva-tRNASer, 从而避免在CUG密码子处插入非蛋白质氨基酸Nva；唯有来自真核生物的LeuRS能够识别这一独特的tRNASer，说明了C-末端结构域在tRNASer识别中起重要作用。
C. albicans中的遗传密码紊乱可以极大地增加其蛋白质组的容量，有利于其增强表型多样性。该项研究加深了C. albicans中遗传密码紊乱性机理的认识，进一步阐明了酵母LeuRS所催化的氨基酰化与编校反应的机理；通过改造CaLeuRS-tRNALeu相互作用系统，可以人为改造其遗传密码的紊乱性，调节其蛋白质组，潜在改变C. albicans的致病性；同时，由于研究发现真核细胞来源的LeuRS可以识别CatRNASer(CAG)，因此通过在其他真核生物细胞质中导入CatRNASer(CAG)，改造该生物的遗传特性。
该项研究获得国家基础研究基金、国家自然科学基金、中科院、上海市科委等的经费资助。