Механизм опосредованной метилтрансферазой METTL8 митохондриальной модификации РНК m³C и её расслабленная субстратная специфичность

Исследование под руководством профессоров Сяо-Лун Чжоу и Энь-До Ван (Шанхайский институт биохимии и клеточной биологии) опубликовано в журнале Science Bulletin.

тРНК — ключевая адапторная молекула в трансляции мРНК. На тРНК присутствует множество посттранскрипционных модификаций, регулирующих скорость и точность синтеза белка. Модификация 3-метилцитозином (m³C) широко встречается в позиции 32 (m³C32) антикодоновых петель нескольких цитоплазматических и митохондриальных тРНК у эукариот.

Предыдущая работа той же лаборатории показала, что модификацию m³C32 человеческих цитоплазматических тРНК катализируют METTL2A/2B и METTL6, а модификацию митохондриальных тРНК^Thr (hmtRNA^Thr) и тРНК^Ser(UCN) (hmtRNA^Ser(UCN)) — METTL8. Ген METTL8 человека путём альтернативного сплайсинга мРНК образует два белковых изоформы разной длины.

Длинная форма, METTL8-Iso1, направляется в митохондрии для катализа модификации m³C32 hmtRNA^Thr и hmtRNA^Ser(UCN). Короткая форма, METTL8-Iso4, локализуется в ядрышке, и её функция неизвестна.

Единственное различие между изоформами — наличие у METTL8-Iso1 N-концевого пептидного удлинения из 28 аминокислот. Было неизвестно, обладает ли METTL8-Iso4 метилтрансферазной активностью m³C32, и какова роль N-концевого удлинения METTL8-Iso1 в модификации митохондриальной тРНК.

Также было неясно, могут ли цитоплазматические или митохондриальные ферменты модификации m³C32 перекрёстно узнавать тРНК из разных клеточных компартментов. Кроме того, поскольку большинству модификаций тРНК m³C32 требуется предварительная модификация N⁶-треонилкарбамоил-аденозином в позиции 37 (t⁶A37), получение молекул тРНК, содержащих только m³C32, не было полностью достигнуто.

Для решения этих вопросов исследователи подтвердили консервативность N-концевого удлинения METTL8-Iso1 с помощью множественного выравнивания последовательностей. Определение ферментативной активности in vitro показало, что METTL8-Iso4 не обладает активностью m³C32. Было доказано, что N-удлинение METTL8-Iso1 действует как ключевой элемент связывания тРНК в каталитическом процессе.

Были идентифицированы два полностью консервативных аминокислотных остатка во всех белках METTL2A/2B/8. METTL8-Iso1 способен опосредовать модификацию m³C32 как для цитоплазматических, так и для E. coli тРНК, и эта активность не зависит от наличия t⁶A37.

Однако цитоплазматические ферменты модификации m³C32, METTL2A и METTL6, не могли катализировать модификацию митохондриальной тРНК, что указывает на более расслабленную субстратную специфичность METTL8-Iso1. Модификация m³C32 не влияла на уровень модификации t⁶A37 и аминоацилирования hmtRNA^Thr.

Наконец, было показано, что METTL8-Iso1 взаимодействует с митохондриальной серил-тРНК-синтетазой (SARS2) и митохондриальной треонил-тРНК-синтетазой (TARS2) соответственно и значительно повышает аминоацилирующую активность SARS2 и TARS2.

В итоге, эта работа раскрывает молекулярный механизм биогенеза митохондриальной тРНК m³C32, опосредованный METTL8, который зависит от специфического N-удлинения как ключевого элемента связывания РНК. METTL8 обладает широким спектром гетерогенных субстратов тРНК, что создаёт основу для получения тРНК, содержащих только остаток m³C. Работа даёт всестороннее понимание консервативности и различий между цитоплазматической и митохондриальной модификацией тРНК m³C.