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Nature背靠背：终于搞清楚了！破解METTL1-WDR4复合物如何催化tRNA m7G修饰

2023-01-06 iNature iNature 发表于陕西省

METTL1-WDR4tRNA m7G
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RNA的化学修饰在许多生物过程中起着关键作用。tRNA富含各种化学修饰，这些修饰影响其稳定性和功能，其中N7-甲基鸟苷(N7-methylguanosine, m7G)是tRNA的完整性和稳定性所必需

RNA的化学修饰在许多生物过程中起着关键作用。tRNA富含各种化学修饰，这些修饰影响其稳定性和功能，其中N7-甲基鸟苷(N7-methylguanosine, m7G)是tRNA的完整性和稳定性所必需的。

tRNA m7G甲基化复合物主要有甲基化酶METTL1和辅助蛋白WDR4组成。它在某些tRNAs的可变环中修饰G46，其调控异常在许多癌症类型中驱动肿瘤发生。WDR4突变导致包括小头症在内的人类发育表型。然而，METTL1-WDR4是如何修饰tRNA底物并被调节的仍然是难以捉摸的。

2023年1月4日，美国波士顿儿童医院Richard I. Gregory课题组在Nature杂志在线发表题为“Structural basis of regulated m7G tRNA modification by METTL1-WDR4”的研究论文，该研究通过对人类METTL1-WDR4的结构、生化和细胞研究表明，WDR4可作为METTL1和tRNA T臂的支架。在tRNA结合后，METTL1的αC区转变为一个螺旋，该螺旋与α6螺旋一起固定tRNA变量环的两端。研究发现METTL1预测的无序N端区域是催化口袋的一部分，对甲基转移酶活性至关重要。此外，研究发现S27在METTL1 N端区域的磷酸化通过局部破坏催化中心来抑制甲基转移酶活性。总之，这项研究结果提供了tRNA底物识别和磷酸化介导的METTL1-WDR4调控的分子理解，并揭示了METTL1无序的N端区域作为甲基转移酶活性的连接。

另外，2023年1月4日，德克萨斯大学西南医学中心Yunsun Nam课题组背靠背在Nature 发表题为“Structures and mechanisms of tRNA methylation by METTL1–WDR4”的研究论文，该研究展示了METTL1和WDR4如何合作识别RNA底物和催化甲基化。METTL1-WDR4的晶体结构和冷冻电镜结构表明，复合蛋白表面通过形状互补识别tRNA弯头。METTL1-WDR4-tRNA与S-腺苷甲硫氨酸或S -腺苷同型半胱氨酸的冷冻电镜结构以及METTL1晶体结构通过揭示多种状态下的活性位点，为催化机制提供了额外的见解。METTL1 N端与tRNA、催化环和WDR4 C端构象变化的辅因子结合，作为激活m7G甲基化的开关。因此，这些结构模型解释了METTL1 N端翻译后修饰如何调节甲基化。总之，这项工作阐明了METTL1修饰m7G的核心和调控机制，为理解其对生物学和疾病的贡献提供了框架。
 
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最近的“外延转录组”研究揭示了RNA修饰在各种分子、细胞和发育过程中的关键作用。一些儿童发育障碍是由编码RNA修饰酶的基因突变引起的，某些RNA修饰的失调是致癌的。
 
tRNA是修饰程度最高的一类RNA，影响tRNA的成熟、稳定性和功能。其中，位于G46位置的m7G (m7G46)是大量tRNAs中普遍存在的修饰。m7G46在D-loop中与C13-G22相互作用以稳定tRNA三级结构。缺少m7G46与tRNA快速衰减和表达改变相关。m7G46由METTL1及其必要辅因子WDR4催化。METTL1-WDR4复合物是正常mRNA翻译和小鼠胚胎干细胞增殖和分化所必需的。WDR4突变与发育缺陷相关，包括原发侏儒症、小头畸形症和 Galloway–Mowat综合征。失调的METTL1-WDR4驱动肿瘤发生，这种致癌功能与许多不同的癌症类型有关。然而，缺乏人类METTL1-WDR4的结构和机制信息仍然是阐明m7G46修饰过程和开发甲基转移酶(MTase)抑制剂作为可能的新型抗癌药物的主要障碍。
 
m7G46修饰发生在变量loop中包含' RAGGU '基序的大量tRNAs中。体外MTase测试显示了酵母Trm8-Trm82复合物(分别是METTL1和WDR4的同源物)对m7G修饰的D臂和T臂的重要性。tRNA识别模型之前是通过计算将tRNA结构与Trm8-Trm82的结构对接而生成的。该模型表明tRNA与Trm8的正电荷表面相互作用而不与Trm82接触，并且仅基于酵母复合物的部分结构，该结构缺乏m7G催化所需的区域。因此，m7G MTase复合物如何特异性地接合和修饰tRNA底物仍然未知。
 
通过蛋白激酶B(protein kinase B, 又名AKT)磷酸化METTL1 (S27)可以通过一种未知的机制使MTase活性失活。值得注意的是，S27位于METTL1的N端，其结构信息是不可用的，被预测为很大程度的无序。然而，灵活的METTL1 N端是保守的，这意味着重要的功能。
 
该研究报道了人类METTL1-WDR4异源二聚体的结构，并与tRNA底物tRNAValTAC和tRNAPheGAA配合物。不同的tRNA表现出与METTL1-WDR4相似的结合模式，其中MTase复合物和tRNA的结构重排都是可见的。结合功能分析揭示了METTL1-WDR4修饰m7G46的分子机制。
 
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图1. METTL1-WDR4提供特定tRNA附着的平台（图源自Nature ）
 
该研究确定了METTL1 N端(残基1-33)的重要作用，尽管预计它是非结构化的，但在形成MTase催化口袋中起着关键作用。进一步揭示了METTL1 N端结构域的S27磷酸化是如何通过活性位点的空间干扰机制抑制MTase活性的。
 
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图2. 人METTL1-WDR4底物识别、修饰和催化调控模型（图源自Nature ）
 
总的来说，这项研究揭示了METTL1-WDR4识别tRNA底物的分子机制，强调了METTL1 N端区域在tRNA修饰中的意外作用，并解释了磷酸化介导的MTase活性调控。
 
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05566-4
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05565-5

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