上海生科院揭示果蝇 piRNA 通路中 Papi 蛋白序列特异性识别 Piwi 蛋白在 piRNA 3’端修剪过程中发挥生物学功能的分子机制

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(A) Papi-eTud-Piwi-R10me2s 复合物整体结构 (B) Papi 通过 eTud 结构域招募 Piwi 参与 piRNA 3’端修剪过程模型

近日,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黄旲研究组的研究成果,以 Structural insights into the sequence-specific recognition of Piwi by Drosophila Papi 为题,在线发表在 PNAS 上,该研究揭示了果蝇 piRNA 通路中 Papi 蛋白序列特异性识别 Piwi 蛋白并参与 piRNA 3’端修剪的分子机制。

piRNA 是一类长度约为 24-30 nt 的小 RNA,在机体中起到保护宿主细胞基因组完整性的功能。成熟 piRNA 生成和加工过程包括前体生成、中间产物加工以及 piRNA 3’端修剪和甲基化修饰,最终形成成熟 piRNA。piRNA 3’端的加工需要 Papi (Tdrkh) 蛋白的参与。以往研究认为,Papi 蛋白作为支架蛋白能够一方面通过其 eTudor (eTud) 结构域识别 Piwi 蛋白 N 端 (G/A)R 重复序列中的精氨酸对称双甲基化修饰 (sDMA 修饰) 从而招募 Piwi 蛋白,另一方面招募 piRNA 3’端 Trimmer 从而形成 piRNA 3’端修剪复合物。但是 Papi 通过 eTudor 结构域识别 Piwi N 端的模型缺少结构基础。过去研究发现,果蝇中敲除 Papi 蛋白时能够特异性影响 Piwi 蛋白结合 piRNA 的长度,而 Ago3 和 Aub 蛋白结合的 piRNA 长度却不受影响。然而对于 Papi 蛋白敲除特异性影响 Piwi 蛋白结合 piRNA 长度这一现象缺少分子机制的解释。

在该项工作中,研究人员精确确定了果蝇 Papi 蛋白通过其 eTud 结构域和 Piwi 蛋白 N 端相互作用的区段,并对 Papi-eTud 单体结构、其与 Piwi-Ν-R10me2s 多肽 (第 10 位精氨酸 sDMA 修饰) 复合物以及其与未甲基化 Piwi- N 多肽复合物分别进行晶体结构解析。结构揭示了 Papi-eTud 通过与 Piwi N 端的“RGRRR”motif 进行相互作用,这一 motif 不同与之前报道其他 PIWI 蛋白中的 (G/A)R 重复序列,特异存在于果蝇 Piwi 蛋白中,并在不同亚种属的果蝇 Piwi 蛋白中保守存在;该 motif 的序列特异性决定了 Papi-Piwi 蛋白相互作用的特异性。果蝇体内实验证明,破坏 Papi 蛋白中与 Piwi 相互作用重要氨基酸残基时导致果蝇生殖缺陷和转座子去抑制。研究人员通过结构生物学,结合 co-IP、质谱等体外生化实验及果蝇体内实验,证明了果蝇体内 Papi 和 Piwi 相互作用的特异性,为解释 Papi 如何招募 Piwi 从而参与 piRNA 3’修剪过程并特异性影响 Piwi 结合 piRNA 长度的现象提供了分子机制,扩展了人们对于 Tudor 结构域底物序列特点和结合方式的认识。

研究工作得到了国家自然科学基金、中科院战略性先导科技专项和中科院重大科技基础设施开放研究项目的支持。

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