生化与细胞所科研人员揭示人线粒体亮氨酰-tRNA合成酶中退化的CP1结构域的功能和酶的编校特性

8月13日，国际学术期刊Journal of Biological Chemistry在线发表了中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所王恩多研究组的最新研究成果：“Degenerate CP1 Domain from Human Mitochondrial Leucyl-tRNA Synthetase”。

亮氨酰-tRNA合成酶(LeuRS)催化亮氨酸(Leu)与对应的亮氨酸tRNA (tRNALeu)之间的酯化反应(氨基酰化反应)，生成亮氨酰-tRNA(Leu-tRNALeu)，为蛋白质的生物合成提供原料。在进化过程中，LeuRS与其它两种Ia类氨基酰-tRNA合成酶(aaRS)，融合了CP1结构域作为其编校结构域。它们的编校可分为转移前编校和转移后编校，分别水解误活化产物(氨基酰-AMP，aa-AMP)和误氨基酰化产物(氨基酰-tRNA，aa-tRNA)，可保证氨基酰化反应的精确性。

大多数物种的LeuRS的CP1结构域具有保守的、用于去除误氨酰化产物的活性位点，可发挥转移后编校活力。而由于一些物种对翻译精确性的要求不高，其LeuRS的CP1结构域具有不同程度的缺失，甚至完全丧失，部分误活化的氨基酸可在转移到tRNA的3’末端被LeuRS催化的转移前编校反应除去。虽然人线粒体LeuRS(hmtLeuRS)的CP1结构域从长度上看没有明显缺失，但其中的某些氨基酸残基发生了变异。之前的研究也已报道hmtLeuRS缺乏转移后编校活力。因而，hmtLeuRS的CP1结构域是退化的。这种退化的CP1编校结构域的存在对hmtLeuRS有何意义，以及hmtLeuRS如何对其催化产物进行质量控制以保证翻译精确性，这些科学问题尚未见详细报道。

在王恩多研究员和周小龙副研究员的指导下，博士研究生叶青等人发现，CP1结构域在hmtLeuRS的氨基酸活化和氨基酰化反应中发挥重要作用，退化的CP1结构域赋予酶对广谱抗真菌药物AN2690的抗性。他们还发现，hmtLeuRS可以活化正缬氨酸(Nva)和缬氨酸(Val)。除了缺乏转移后编校活力以外，hmtLeuRS还匮乏依赖tRNA的转移前编校活力；仅对Nva还保留有微弱的不依赖tRNA的转移前编校活力，但此种编校不能有效地清除误活化的Nva。体外条件下，hmtLeuRS可以催化产生较多的Nva-tRNALeu和一些Val-tRNALeu。将其它物种LeuRS有编校活力的CP1结构域取代hmtLeuRS的CP1结构域后，嵌合酶则具有了转移后编校活力，并在氨基酰化反应中对Nva和Val表现了较高的精确性。该项工作表明，hmtLeuRS退化的CP1结构域不是冗余的结构域，它对LeuRS催化的氨基酰化反应发挥了重要的作用。研究结果同时加深了人们对线粒体中蛋白质生物合成的质量控制的机理的认识。

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；数据收集工作得到生化与细胞所公共技术服务中心的支持。（生化与细胞所）

不同来源的LeuRS在CP1结构域的关键活性位点的序列比对