エフェクターを含まない状態と結合した状態のプレQ1-Iリボスイッチの解析から、代謝産物をプログラムした核酸塩基積層スパインが遺伝子制御を制御していることが明らかになった

Analysis of a preQ1-I riboswitch in effector-free and bound states reveals a metabolite-programmed nucleobase-stacking spine that controls gene regulation.

• Griffin M Schroeder
• Debapratim Dutta
• Chapin E Cavender
• Jermaine L Jenkins
• Elizabeth M Pritchett
• Cameron D Baker
• John M Ashton
• David H Mathews
• Joseph E Wedekind

抄録

リボスイッチは、代謝物を認識して下流の配列の構造を変化させ、遺伝子の制御につながる構造化されたRNAモチーフである。この分子構造を調べるために、プレQ1-Iリボスイッチのエフェクターフリー状態と結合状態の結晶構造を2.00Åと2.65Åの分解能で決定した。両方の疑似ノットは、異なるコンフォメーションを示すとらえどころのないL2ループを示した。逆に、各構造のS2らせん内のShine-Dalgarno配列(SDS)は壊れていなかった。エフェクターフリー状態ではSDSが露出しているはずであるという予想から、プレQ1に応答して特定の核酸塩基への環境変化を明らかにするための溶液実験を実施した。その後、我々は、結晶学的に決定されたエフェクターフリー状態とバウンド状態の構造を結ぶ構造変化の経路を導出するために、ナッジドエラスティックバンド計算法を使用しました。パスウェイの特徴は以下の通り。(i)L2とS2の核酸塩基のアンスタッキングとアンペアリングは、翻訳のためにSDSをpreQ1露出させずに、(ii)L2とS2の核酸塩基のスタッキングとペアリングは、SDSをpreQ1セクセスター化している。我々の結果は、preQ1結合がL2をSDSを隔離する核酸塩基スタッキングスパインに再編成し、エフェクター認識を生物学的機能に結びつける仕組みを明らかにした。エフェクターに依存したドメイン間コミュニケーションの導管としてのスタッキングスパインの一般性については、アデニンリボスイッチやカブイエローモザイクウイルスのリボソームセンサーに存在することを踏まえて議論する。

Riboswitches are structured RNA motifs that recognize metabolites to alter the conformations of downstream sequences, leading to gene regulation. To investigate this molecular framework, we determined crystal structures of a preQ1-I riboswitch in effector-free and bound states at 2.00 Å and 2.65 Å-resolution. Both pseudoknots exhibited the elusive L2 loop, which displayed distinct conformations. Conversely, the Shine-Dalgarno sequence (SDS) in the S2 helix of each structure remained unbroken. The expectation that the effector-free state should expose the SDS prompted us to conduct solution experiments to delineate environmental changes to specific nucleobases in response to preQ1. We then used nudged elastic band computational methods to derive conformational-change pathways linking the crystallographically-determined effector-free and bound-state structures. Pathways featured: (i) unstacking and unpairing of L2 and S2 nucleobases without preQ1-exposing the SDS for translation and (ii) stacking and pairing L2 and S2 nucleobases with preQ1-sequestering the SDS. Our results reveal how preQ1 binding reorganizes L2 into a nucleobase-stacking spine that sequesters the SDS, linking effector recognition to biological function. The generality of stacking spines as conduits for effector-dependent, interdomain communication is discussed in light of their existence in adenine riboswitches, as well as the turnip yellow mosaic virus ribosome sensor.

© The Author(s) 2020. Published by Oxford University Press on behalf of Nucleic Acids Research.