Principes de l'assemblage des petites sous-unités mitoribosomales chez les eucaryotes

Nature volume 614, pages 175-181 (2023)Citer cet article

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Les ribosomes mitochondriaux (mitoribosomes) synthétisent des protéines codées dans le génome mitochondrial qui sont assemblées en complexes de phosphorylation oxydative. Ainsi, la biogenèse des mitoribosomes est essentielle à la production d’ATP et au métabolisme cellulaire1. Ici, nous avons utilisé la cryomicroscopie électronique pour déterminer neuf structures d'intermédiaires d'assemblage de petites sous-unités mitoribosomales de levure native et humaine, éclairant ainsi la base mécanistique de la façon dont les GTPases sont utilisées pour contrôler les premières étapes de la formation du centre de décodage, comment les événements initiaux de repliement et de traitement de l'ARNr sont médiés, et comment les protéines mitoribosomales jouent un rôle actif lors de l'assemblage. De plus, cette série d'intermédiaires provenant de deux espèces à l'architecture mitoribosomale divergente révèle à la fois des principes conservés et des adaptations spécifiques à l'espèce qui régissent la maturation des petites sous-unités mitoribosomales chez les eucaryotes. En révélant l'interaction dynamique entre les facteurs d'assemblage, les protéines mitoribosomales et l'ARNr nécessaires à la génération de sous-unités fonctionnelles, notre analyse structurelle fournit une vignette de la façon dont la complexité et la diversité moléculaires peuvent évoluer dans les grands assemblages de ribonucléoprotéines.

Le mitoribosome, présent dans les mitochondries des cellules eucaryotes, traduit les ARNm mitochondriaux qui codent principalement pour les composants des complexes de phosphorylation oxydative. Cette machine moléculaire comprend des ARNr (12S et 16S chez l'homme, et 15S et 21S chez la levure) codés dans le génome mitochondrial qui s'associent à des protéines ribosomales mitochondriales à prédominance nucléaire (protéines mito r) dans la matrice mitochondriale pour former le mitoribosome (55S). chez l'humain et 74S chez la levure). La biogenèse du mitoribosome nécessite des facteurs d'assemblage agissant en trans qui chaperonnent le repliement de l'ARNr et guident l'incorporation de la protéine r du mito r2,3,4,5,6. Le rôle central des mitoribosomes dans le métabolisme cellulaire est mis en évidence par plusieurs maladies humaines provoquées par des mutations des protéines r des mito ou des facteurs d'assemblage6,7,8,9,10. Une compréhension structurelle des principes de l'assemblage des mitoribosomes est donc cruciale pour définir les fondements moléculaires de ces processus et des maladies humaines associées.

Bien que l’assemblage des grandes sous-unités mitochondriales ait été étudié de manière approfondie dans les kinétoplastides7,8 et les cellules humaines9,10,11,12,13,14, notre compréhension structurelle de l’assemblage des petites sous-unités mitochondriales (mtSSU) est jusqu’à présent limitée à Trypanosoma brucei15,16, un phénomène extrême. exemple en termes de divergence évolutive et de stades avancés de l’assemblage des mitoribosomes chez les mammifères17. Nous manquons actuellement de connaissances fondamentales sur les étapes initiales de l’assemblage de mtSSU dans des organismes clés tels que Saccharomyces cerevisiae et Homo sapiens.

Malgré une divergence structurelle substantielle entre les ribosomes de diverses espèces 2,3,4,5,6,18,19,20,21, tous les systèmes d'assemblage de SSU doivent surmonter plusieurs obstacles courants au repliement de l'ARNr pour produire des sous-unités fonctionnelles. Celles-ci incluent la formation du centre de décodage, le module fonctionnel clé du SSU, qui doit être formé de manière régulée pour générer des sous-unités présentant une haute fidélité de traduction. De plus, les extrémités 5' et 3' de l'ARNr doivent être générées et intégrées dans la particule en cours de maturation. Simultanément, l’engagement prématuré des intermédiaires de l’assemblage SSU avec de grandes sous-unités ribosomales matures doit être évité pour garantir un pool de ribosomes fonctionnel. Bien que différentes solutions aient évolué pour surmonter ces obstacles dans les systèmes bactériens et eucaryotes22,23, on sait peu de choses sur la manière dont la levure et les cellules humaines parviennent à contrôler ces étapes d'assemblage initiales et sur la manière dont ces systèmes ont évolué pour catalyser la formation de SSU mitoribosomales fonctionnelles structurellement diverses. . Pour résoudre ce problème, nous avons résolu les structures à haute résolution de six intermédiaires d'assemblage natifs de cellules humaines et de trois intermédiaires d'assemblage natifs de cellules de levure par cryomicroscopie électronique (cryo-EM), révélant plusieurs principes fondamentaux de l'assemblage de mtSSU. Premièrement, les activités progressives des commutateurs moléculaires contrôlent les premiers événements de repliement de l’ARNr qui jettent les bases de la formation d’un centre de décodage fonctionnel. Deuxièmement, l’intégration de l’extrémité 3’ de l’ARNr facilite le compactage du noyau fonctionnel de l’ARNr, les systèmes de levure et humains ayant chacun développé des solutions distinctes pour ce faire. Troisièmement, la reconnaissance et le traitement du pré-ARNr 5' constituent une caractéristique unique de la voie d'assemblage du mtSSU de la levure et sont effectués par des facteurs d'assemblage distincts. Quatrièmement, un facteur d'assemblage conservé orchestre la maturation du domaine de tête et empêche l'engagement prématuré de l'ARNm et de la grande sous-unité mitochondriale. Ensemble, ces principes mettent en lumière l’évolution des voies d’assemblage de mtSSU et la manière dont les adaptations spécifiques aux espèces sont utilisées pour générer à la fois la complexité et la diversité moléculaires.