Princípios da montagem de pequenas subunidades mitoribossômicas em eucariotos

Nature volume 614, páginas 175–181 (2023)Cite este artigo

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Os ribossomos mitocondriais (mitoribossomos) sintetizam proteínas codificadas no genoma mitocondrial que são montadas em complexos de fosforilação oxidativa. Assim, a biogênese do mitorribossomo é essencial para a produção de ATP e o metabolismo celular1. Aqui usamos microscopia crioeletrônica para determinar nove estruturas de levedura nativa e intermediários de montagem de pequenas subunidades mitoribossômicas humanas, iluminando a base mecanística de como as GTPases são usadas para controlar as etapas iniciais da formação do centro de decodificação, como os eventos iniciais de dobramento e processamento de rRNA são mediados, e como as proteínas mitoribossomais desempenham papéis ativos durante a montagem. Além disso, esta série de intermediários de duas espécies com arquitetura mitoribossômica divergente revela princípios conservados e adaptações específicas de espécies que governam a maturação de pequenas subunidades mitoribossômicas em eucariotos. Ao revelar a interação dinâmica entre fatores de montagem, proteínas mitoribossômicas e rRNA que são necessários para gerar subunidades funcionais, nossa análise estrutural fornece uma vinheta de como a complexidade e a diversidade molecular podem evoluir em grandes montagens de ribonucleoproteínas.

O mitorribossoma, que está presente nas mitocôndrias das células eucarióticas, traduz mRNAs mitocondriais que codificam predominantemente componentes de complexos de fosforilação oxidativa. Esta máquina molecular compreende rRNAs (12S e 16S em humanos, e 15S e 21S em leveduras) codificados no genoma mitocondrial que se associam com proteínas ribossômicas mitocondriais predominantemente codificadas nuclearmente (proteínas mito r) na matriz mitocondrial para formar o mitoribossomo (55S em humanos e 74S em leveduras). A biogênese do mitoribossomo requer fatores de montagem de ação trans que acompanham o dobramento do rRNA e orientam a incorporação da proteína mito r . O papel central dos mitorribossomas no metabolismo celular é destacado por várias doenças humanas causadas por mutações nas proteínas mitor ou nos fatores de montagem6,7,8,9,10. Uma compreensão estrutural dos princípios da montagem dos mitorribossomas é, portanto, crucial para definir as bases moleculares destes processos e das suas doenças humanas associadas.

Embora a montagem de subunidades grandes mitocondriais tenha sido extensivamente estudada em cinetoplastídeos7,8 e células humanas9,10,11,12,13,14, nossa compreensão estrutural da montagem de subunidades pequenas mitocondriais (mtSSU) é até agora limitada a Trypanosoma brucei15,16, um extremo exemplo em termos de divergência evolutiva e estágios finais da montagem do mitorribossoma em mamíferos . Atualmente não temos insights fundamentais sobre as etapas iniciais da montagem do mtSSU em organismos-chave como Saccharomyces cerevisiae e Homo sapiens.

Apesar da divergência estrutural substancial entre os ribossomos de várias espécies , todos os sistemas de montagem de SSU devem superar vários obstáculos comuns de dobramento de rRNA para produzir subunidades funcionais. Estes incluem a formação do centro de decodificação, o módulo funcional chave do SSU, que deve ser formado de maneira regulada para gerar subunidades que exibam alta fidelidade traducional. Além disso, as extremidades 5' e 3' do rRNA precisam ser geradas e integradas na partícula em maturação. Simultaneamente, o envolvimento prematuro dos intermediários da montagem SSU com grandes subunidades ribossômicas maduras deve ser evitado para garantir um pool funcional de ribossomos. Embora diferentes soluções tenham evoluído para esses obstáculos em sistemas bacterianos e eucarióticos, pouco se sabe sobre como leveduras e células humanas alcançam controle sobre essas etapas iniciais de montagem e como esses sistemas evoluíram para catalisar a formação de SSUs mitoribossomais funcionais que são estruturalmente diversas . Para resolver isso, resolvemos estruturas de alta resolução de seis intermediários de montagem nativos de células humanas e três intermediários de montagem nativos de células de levedura por microscopia crioeletrônica (crio-EM), revelando vários princípios fundamentais da montagem mtSSU. Primeiro, as atividades graduais dos interruptores moleculares controlam os eventos iniciais de dobramento do rRNA que estabelecem as bases para a formação de um centro de decodificação funcional. Em segundo lugar, a integração da extremidade 3 'do rRNA facilita a compactação do núcleo funcional do rRNA, com leveduras e sistemas humanos tendo desenvolvido soluções distintas para fazê-lo. Terceiro, o reconhecimento e o processamento do pré-rRNA 5 'é uma característica única da via de montagem da levedura mtSSU e é realizado por fatores de montagem distintos. Quarto, um fator de montagem conservado orquestra a maturação do domínio principal e evita o envolvimento prematuro do mRNA e da grande subunidade mitocondrial. Juntos, esses princípios lançam luz sobre a evolução das vias de montagem do mtSSU e como as adaptações específicas das espécies são usadas para gerar complexidade e diversidade molecular.