2025年12月5日

理化研究所

兵庫縣立大學(xué)

名古屋大學(xué)

筑波大學(xué)

丙型肝炎病毒巧妙地利用人類翻譯起始因子

-新結(jié)構(gòu)顯示翻譯開始因子eIF3在翻譯開始后也起作用-

理化學(xué)研究所(理研)生命醫(yī)科學(xué)研究中心翻譯結(jié)構(gòu)分析研究小組總監(jiān)伊藤拓宏(生命功能科學(xué)研究中心結(jié)構(gòu)生命科學(xué)/細(xì)胞生物學(xué)聯(lián)合小組高級研究員)、巖崎若的專職研究員、柏木一宏研究員、蛋白質(zhì)組恒定性研究單元的今見志單元組長、 開拓研究所巖崎RNA系統(tǒng)生物化學(xué)研究室的巖崎信太郎主任研究員、七野悠一高級研究員(研究當(dāng)時為客座研究員、筑波大學(xué)醫(yī)學(xué)醫(yī)療系教授)、兵庫縣立大學(xué)研究生院工學(xué)研究科的今高寬晃教授、町田幸大副教授、名古屋大學(xué)研究生院理學(xué)研究科的松本有樹修教授等聯(lián)合研究組是，丙肝病毒( HCV )[1]是人的翻譯開始因子eIF3[2]闡明了利用高效產(chǎn)生病毒蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)機(jī)制。

本研究成果有助于理解蛋白質(zhì)合成中eIF3的各種功能，有望為開發(fā)新的抗病毒藥物等做出貢獻(xiàn)。

病毒是宿主(感染細(xì)胞)翻譯裝置核糖體[3]使用合成病毒復(fù)制所需的蛋白質(zhì)。 HCV呢RNA基因組[1]的最上游的“IRES[4]”的區(qū)域與宿主的翻譯開始因子eIF3結(jié)合，劫持宿主核糖體，但與eIF3的結(jié)合方式和作用的詳細(xì)情況尚不清楚。

此次，聯(lián)合研究小組將HCV IRES和人eIF3、人核糖體復(fù)合體的立體結(jié)構(gòu)低溫電子顯微鏡[5]已經(jīng)明確了。 并且，得到了新的結(jié)構(gòu)，表明eIF3不僅在翻譯的開始中起作用，還在之后的伸長反應(yīng)等中起作用。

本研究根據(jù)科學(xué)雜志《proceedings of the national academy of sciences of the United States of America（PNAS)》刊登在網(wǎng)絡(luò)版( 12月3日)上。

HCV IRES利用eIF3進(jìn)行翻譯時復(fù)合體的結(jié)構(gòu)

背景

生物有自己的基因組作為設(shè)計圖。 制造出從基因組中提取了生存所需的蛋白質(zhì)信息(遺傳信息)的信使RNA(mRNA )。 通常，真核生物的mRNA中有5 '末端帽子[6]的修飾結(jié)構(gòu)，翻譯開始因子群識別出蓋子，將mRNA運(yùn)送到被稱為核糖體的蛋白質(zhì)工廠。 核糖體是大的亞基7和小亞單位( 40S )組成的巨大RNA蛋白質(zhì)復(fù)合體，識別mRNA的信息，按照信息傳遞的順序連接氨基酸合成蛋白質(zhì)。 這個反應(yīng)被稱為“翻譯”。

開始翻譯時，攜帶mRNA和最初的氨基酸開始tRNA[3]需要將引導(dǎo)到核糖體小亞基( 40S )上的正確位置。 這個過程是一個復(fù)雜的過程，大量的翻譯起始因子群相互配合。 其中，由13個亞單位組成的最大的翻譯開始因子eIF3與其他翻譯開始因子群相互作用，擔(dān)負(fù)著使它們適當(dāng)協(xié)調(diào)的中心作用。 當(dāng)起始tRNA和mRNA結(jié)合到小子單元( 40S )上的正確位置后，在翻譯起始因子的幫助下，大子單元( 60S )再結(jié)合到小子單元( 40S )上，翻譯反應(yīng)開始(圖1 )。

真核生物の翻訳開始反応の模式図の畫像

圖1真核生物翻譯起始反應(yīng)示意圖

通過大量的翻譯開始因子群( eukaryotic initiation factors :以圖中以EIF開始的簡稱表示)的作用，直到翻譯開始為止的示意圖。 用淡藍(lán)色表示eIF3，用白色橢圓表示除此之外的翻譯開始因子組。 首先，通過翻譯起始因子組將起始tRNA (粉紅色)調(diào)入子單元( 40S ) (灰色) ( [1] )，并且另一個翻譯起始因子識別mRNA 5′末端的被稱為蓋的修飾結(jié)構(gòu)，并且mrna也是子單元(灰色) 接著，通過eIF5B的作用，大子單元( 60S ) (黃色)結(jié)合至小子單元( 40S )，開始翻譯反應(yīng)( [3] )。 在以上過程中，eIF3圍繞核糖體結(jié)合成為其他翻譯起始因子群的立足點(diǎn)，并起到協(xié)調(diào)它們的中心作用。

另一方面，許多單鏈( + ) RNA病毒，如丙型肝炎病毒( HCV )，在RNA基因組的最上游有一個被稱為IRES的區(qū)域，而不是沒有蓋子。 IRES區(qū)域的RNA通過折疊形成復(fù)雜的立體結(jié)構(gòu)，捕獲宿主核糖體的小亞基( 40S )。 接下來，將IRES下游的載有蛋白質(zhì)信息的RNA區(qū)域引導(dǎo)到核糖體上，利用宿主的翻譯開始因子群調(diào)用開始tRNA和核糖體的大亞基( 60S )，開始翻譯延伸反應(yīng)。 以翻譯結(jié)構(gòu)分析研究小組為主體的聯(lián)合研究小組已經(jīng)宣布，HCV IRES不僅捕獲了未參與翻譯反應(yīng)的游離狀態(tài)的小亞基( 40S )，還劫持了翻譯中的核糖體，用于病毒蛋白質(zhì)的翻譯注)。

eIF3在普通真核細(xì)胞翻譯中的重要性早已知曉，HCV IRES與eIF3結(jié)合也已為人所知。 然而，HCV IRES如何與eIF3結(jié)合，如何將eIF3用于病毒蛋白翻譯，仍是個謎。

注)2019年5月14日新聞發(fā)布會“病毒侵占宿主細(xì)胞翻譯設(shè)備的機(jī)制」

研究方法和成果

聯(lián)合研究小組合成精制了HCV IRES、核糖體、eIF3等各種翻譯因子群，用低溫電子顯微鏡觀察了在試管內(nèi)混合的復(fù)合體。 對相當(dāng)于翻譯開始階段的復(fù)合體進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析后，得到IRES與eIF3一起結(jié)合到核糖體的小亞基( 40S )，與其他翻譯開始因子群一起將開始tRNA和IRES下游的病毒mRNA階段性地引導(dǎo)到小亞基( 40S )上的過程的立體結(jié)構(gòu) 此外，在本研究中，不僅在翻譯開始階段，還首次獲得了eIF3與翻譯進(jìn)展中(多肽鏈延伸中)的核糖體結(jié)合的結(jié)構(gòu)(圖2右下)。 出乎意料的是，此時首次發(fā)現(xiàn)eIF3的一部分亞基離開eIF3核心( eIF3亞基群中結(jié)構(gòu)上的核心部分)，與核糖體的大亞基( 60S )結(jié)合(圖2右下)。 eIF3的這一部分被認(rèn)為從eIF3核心像“手”一樣伸出，有助于將大亞基( 60S )結(jié)合到小亞基( 40S ) (參見p.1概要圖)。 如圖1所示，即使在與病毒無關(guān)的通常的翻譯反應(yīng)中，在翻譯開始停止后的重新開始等時，也需要使大子單元( 60S )結(jié)合到小子單元( 40S )上，從該eIF3核心伸出的“手”對此有幫助

圖2 HCV IRES依存性翻譯開始伸長各階段復(fù)合體的立體結(jié)構(gòu)

試管內(nèi)重構(gòu)的HCV IRES與核糖體、翻譯起始因子組(以eIF開頭的簡稱圖示)復(fù)合體的低溫電鏡分析。 圖中的eIF1A、eIF5B與eIF3一樣，是翻譯開始因子的一種。 tRNAiMet是運(yùn)送開始翻譯的氨基酸(蛋氨酸)的開始tRNA。 在翻譯開始之前與IRES一起耦合到子單元( 40S )的eIF3，在步驟4之后組合到子單元( 60S )，認(rèn)為有助于組合子單元( 60S )和子單元( 40S )。

在人類有帽mRNA的常規(guī)翻譯中，稱為eIF3核心的亞基群和其他非核心亞基群圍繞核糖體的小亞基( 40S )結(jié)合(見圖3左)。 但是，在此次得到的結(jié)構(gòu)中，HCV IRES在小亞基( 40S )和eIF3核心之間以隔開兩者的方式結(jié)合(圖3中右)。 一旦進(jìn)入這種狀態(tài)，小亞基( 40S )和eIF3核心就無法結(jié)合，從而阻礙了人類mRNA的翻譯。 另一方面，質(zhì)譜分析表明，eIF3的非核心亞基與帶帽宿主mRNA的翻譯起始復(fù)合體(圖3左)一樣，可以與小亞基( 40S )結(jié)合(圖3中右)。 也就是說，在被HCV IRES捕獲的核糖體上，盡管eIF3核位于與通常的人mRNA翻譯起始復(fù)合體不同的位置，但eIF3的核以外的亞基仍處于可訪問核糖體的狀態(tài)，不僅翻譯的開始，而且之后的翻譯伸長·終止·再開始 HCV IRES通過巧妙利用eIF3，不僅阻礙了宿主的蛋白質(zhì)合成，還促進(jìn)了病毒蛋白質(zhì)的合成。

圖3人mRNA翻譯與HCV病毒mRNA翻譯中eIF3結(jié)構(gòu)的差異

三幅圖全部顯示核糖體的小亞基( 40S )的方向一致。 左圖為、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫( RCSB PDB )新規(guī)タブで開きます中登記的人β球蛋白mRNA的翻譯起始復(fù)合體的結(jié)構(gòu)。 右圖為依賴于HCV IRES的病毒mRNA在翻譯開始時和翻譯伸長時復(fù)合體的立體結(jié)構(gòu)。 低溫電鏡數(shù)據(jù)未能得到eIF3核心以外亞基的清晰圖譜。 然而，對復(fù)合體進(jìn)行化學(xué)交聯(lián)和質(zhì)譜分析顯示，非核心eIF3亞基與核糖體的小亞基( 40S )結(jié)合與左圖相同。

今后的期待

本研究明確了病毒的IRES巧妙利用eIF3的結(jié)構(gòu)機(jī)制。 雖然eIF3是翻譯起始因子的名稱，但實際上，在人mRNA的翻譯中，不僅在翻譯開始階段，在之后的伸長階段也停留在核糖體上，適當(dāng)?shù)貙⒐芾砗颂求w質(zhì)量的因子、幫助新生蛋白質(zhì)折疊和轉(zhuǎn)運(yùn)的因子調(diào)入核糖體上 在今后弄清楚eIF3的各種功能是如何發(fā)揮的基礎(chǔ)上，期待本研究中顯示的eIF3的亞基配置會成為很大的啟示。

本研究探討了HCV IRES中的發(fā)夾結(jié)構(gòu)[4]第一次觀察到了捕捉eIF3核的狀態(tài)。 這樣發(fā)夾結(jié)構(gòu)是人的轉(zhuǎn)錄因子c-Jun[8]據(jù)預(yù)測，也存在于的mRNA中。 c-Jun的mRNA與普通的mRNA不同，它不是通過筆帽開始翻譯的，而是通過eIF3識別發(fā)夾部分開始翻譯的。 病毒模仿宿主，巧妙地利用宿主進(jìn)行自身繁殖，但獲得對病毒的新知識，反過來也會獲得對宿主(人)的生命現(xiàn)象的新知識。

補(bǔ)充說明

1.丙型肝炎病毒( HCV )、RNA基因組

丙型肝炎病毒是一種單鏈RNA病毒，約9.6 kb ( kb:1，000個堿基對)的基因組( RNA基因組)由三個結(jié)構(gòu)蛋白(形成病毒形狀的部件)和七個非結(jié)構(gòu)蛋白(病毒增殖所需的蛋白質(zhì)) 通常只能感染人類和黑猩猩，據(jù)估計，每年的新增感染患者數(shù)在全世界約為100萬人( )世衛(wèi)組織: hepatitis c新規(guī)タブで開きます)。 HCV是hepatitis C virus的縮寫。

2.翻譯開始因子eIF3

在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行蛋白質(zhì)合成(翻譯)的核糖體，在開始合成時協(xié)調(diào)作用的蛋白質(zhì)被稱為翻譯開始因子，存在各種各樣的種類(翻譯開始因子群)。 真核生物的翻譯起始因子稱為真核生物型起始因子( eukaryotic initiation factor: eIF )。 eIF3由稱為核心的8個子單元組和除此之外的5個子單元組組成，是最大的翻譯開始因子。

3.核糖體，起始tRNA

核糖體是將mRNA中編碼的基因信息“翻譯”成構(gòu)成蛋白質(zhì)的氨基酸序列的細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)合成工廠。 由復(fù)雜折疊的RNA和許多蛋白質(zhì)構(gòu)成的巨大的RNA蛋白質(zhì)復(fù)合體。 由大子單元和小子單元兩個子單元構(gòu)成，在真核生物的情況下分別稱為大子單元( 60S )和小子單元( 40S )。 承載要開始翻譯的蛋氨酸的tRNA (起始tRNA )被耦接到最小的子單元( 40S )。

4.IRES，發(fā)夾結(jié)構(gòu)

通常，在真核生物中開始翻譯時，翻譯開始因子識別mRNA5'末端的印跡(見[6] )結(jié)構(gòu)，并將mrna運(yùn)入核糖體。 另一方面，一些RNA病毒等具有被稱為IRES(Internal Ribosome Entry Site )的特殊RNA序列來代替標(biāo)記。 在IRES中，堿基間(腺嘌呤( a )和尿嘧啶( u )、胞嘧啶( c )和鳥嘌呤( g ) )以各種模式氫鍵結(jié)合而成單元(根據(jù)氫鍵的結(jié)構(gòu)方式的不同，稱為發(fā)夾結(jié)構(gòu)或假單胞菌結(jié)構(gòu)等) 可以認(rèn)為IRES的立體結(jié)構(gòu)是為了提高功能而進(jìn)化的，與通常的帶帽mRNA相比，只需要少數(shù)的翻譯開始因子，就可以結(jié)合到核糖體上開始翻譯。

5.低溫電子顯微鏡

將生物試樣用液體乙烷急速凍結(jié)，封入玻璃狀冰中，使用透射型電子顯微鏡直接觀察的方法。 運(yùn)用圖像處理技術(shù)，可以得到核糖體等超分子復(fù)合體、蛋白質(zhì)復(fù)合體的三維立體結(jié)構(gòu)。

6.帽子

真核生物mRNA的5 '末端的特征結(jié)構(gòu)。 核酸的聚合通常在5'→3 '進(jìn)行結(jié)合，但在mRNA的5 '末端，采取修飾后的核酸與第一個核苷酸5'-5 '結(jié)合的結(jié)構(gòu)。 它具有保護(hù)mRNA5'末端的作用，也是翻譯起始因子識別mrna的標(biāo)志。

7.亞基

生物體內(nèi)存在很多通過多個多肽鏈聚集在一起而發(fā)揮功能的復(fù)合體。 成為各構(gòu)成要素的多肽鏈稱為亞單位。 核糖體中也使用小亞基、大亞基這樣的術(shù)語，但這些是例外的稱呼方式，分別由多個多肽鏈和RNA構(gòu)成。

8.c-Jun

調(diào)控細(xì)胞增殖、分化、凋亡(編程的細(xì)胞死亡)等的轉(zhuǎn)錄因子。 由于過度活化會促進(jìn)癌癥的發(fā)生、發(fā)展和轉(zhuǎn)移，因此作為癌癥治療的靶點(diǎn)的研究也在進(jìn)行中。

聯(lián)合研究組

理化研究所

生命醫(yī)學(xué)科學(xué)研究中心

翻譯結(jié)構(gòu)分析研究小組

團(tuán)隊總監(jiān)伊藤拓宏(伊藤拓宏)

(生命功能科學(xué)研究中心結(jié)構(gòu)生命科學(xué)/細(xì)胞生物學(xué)聯(lián)合小組高級研究員)

專職研究員巖崎若菜

研究員柏木一宏

技術(shù)人員ⅰ坂本惠香

技術(shù)人員ⅰ西本圓(西本圓)

技術(shù)人員ⅰ髙橋真梨

蛋白質(zhì)組穩(wěn)態(tài)研究單元

單元領(lǐng)導(dǎo)今見志(伊瑪米寇)

開拓研究所

巖崎RNA系統(tǒng)生化研究室

主任研究員巖崎信太郎(伊萬·沙星太郎)

高級研究員(研究當(dāng)時，現(xiàn)客座研究員)七野悠一(星野優(yōu)一)

(筑波大學(xué)醫(yī)學(xué)醫(yī)療系教授)

兵庫縣立大學(xué)研究生院工學(xué)研究科應(yīng)用化學(xué)專業(yè)

教授今高寬晃

副教授町田幸大

名古屋大學(xué)研究生院理學(xué)研究科理學(xué)專業(yè)

教授松本有樹修(松本有樹修)

研究支援

本研究基于日本學(xué)術(shù)振興會( JSPS )科學(xué)研究經(jīng)費(fèi)資助事業(yè)基礎(chǔ)研究( b )“HCV IRES劫持核糖體的分子機(jī)制(研究代表者:伊藤拓宏)”“闡明由核糖體的不均勻性產(chǎn)生的細(xì)胞組織特異性翻譯開始控制機(jī)制(研究代表者:藤原俊伸)”， 該新學(xué)術(shù)領(lǐng)域研究(研究領(lǐng)域提案型)“病毒引起的非標(biāo)準(zhǔn)翻譯機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)(研究代表者:伊藤拓宏)”，該學(xué)術(shù)變革領(lǐng)域研究( a )“非結(jié)構(gòu)域型生物聚合物的立體結(jié)構(gòu)相互作用分析(研究代表者:伊藤拓宏)”， 同基礎(chǔ)研究( c )“基于HCV IRES的人核糖體劫持新機(jī)制的結(jié)構(gòu)生物學(xué)闡明(研究代表者:巖崎若菜)”“SARS-Cov-2的5'UTR， Nsp1對人核糖體翻譯調(diào)控機(jī)制的分子基礎(chǔ)(研究代表者:巖崎雛)”、科技振興機(jī)構(gòu)( JST )開創(chuàng)性研究支持事業(yè)“蛋白質(zhì)翻譯機(jī)制在蛋白質(zhì)組水平的再思考(研究代表者:今見參考志)”、 在日本醫(yī)療研究開發(fā)機(jī)構(gòu)( AMED )創(chuàng)新性尖端研究開發(fā)支援事業(yè)“神經(jīng)變性疾病中的聚合和翻譯陰陽(研究代表者:巖崎信太郎)”“非膜性細(xì)胞因子通過RNA時空控制的DNA損傷應(yīng)答(研究代表者:七野悠一)”的資助下進(jìn)行

原論文信息

Wakana Iwasaki、Kazuhiro Kashiwagi、Ayako Sakamoto、Madoka Nishimoto、Mari Takahashi、Kodai Machida、Hiroaki Imataka、akakino bu mmmmmmmmmmoto yuichi shino，Shintaro Iwasaki，Koshi Imami，and Takuhiro Ito，" structural insights into the role of ei F3 in translation mediated by to，"proceedings of the national academy of sciences of the United States of America ( PNAS ), 10.1073/pnas.2505538122新規(guī)タブで開きます

主講人

理化研究所

生命醫(yī)學(xué)科學(xué)研究中心 翻譯結(jié)構(gòu)分析研究小組

團(tuán)隊總監(jiān)伊藤拓宏(伊藤拓宏)

(生命功能科學(xué)研究中心結(jié)構(gòu)生命科學(xué)/細(xì)胞生物學(xué)聯(lián)合小組高級研究員)

專職研究員巖崎若菜

研究員柏木一宏

蛋白質(zhì)組穩(wěn)態(tài)研究單元

單元領(lǐng)導(dǎo)今見志(伊瑪米寇)

開拓研究所

巖崎RNA系統(tǒng)生化研究室

主任研究員巖崎信太郎(伊萬·沙星太郎)

高級研究員(研究當(dāng)時，現(xiàn)客座研究員)七野悠一(星野優(yōu)一)

(筑波大學(xué)醫(yī)學(xué)醫(yī)療系教授)

兵庫縣立大學(xué)研究生院工學(xué)研究科

教授今高寬晃

副教授町田幸大

名古屋大學(xué)研究生院理學(xué)研究科

教授松本有樹修(松本有樹修)

伊藤 拓宏 チームディレクターの寫真

伊藤拓宏

巖崎 わかな 専任研究員の寫真

巖崎奈奈

柏木 一宏 研究員の寫真

柏木一宏

今見 考志 ユニットリーダーの寫真

今見志

巖崎 信太郎 主任研究員の寫真

巖崎信太郎

七野 悠一 上級研究員（研究當(dāng)時、現(xiàn) 客員研究員）の寫真

七野悠一

今高 寛晃 教授の寫真

今高寬晃

町田 幸大 準(zhǔn)教授の寫真

町田幸大

松本 有樹修 教授の寫真

松本有樹修

新聞發(fā)言人

理化學(xué)研究所宣傳部新聞負(fù)責(zé)人