利用单颗粒冷冻电镜技术解析古菌核糖体高分辨率结构

The ribosome is the macromolecular machine responsible for protein synthesis in all living cells. Research on the structures and functions of ribosome is important for understanding translation mechanism and life evolution. Compared with those of bacteria and eukaryotes, the archaeal ribosome is much less understood. This research aims to determine high-resolution structures of ribosome from the thermophilic archaeon Sulfolobus islandicus by single-particle cryo-electron microscopy. These structures will greatly enrich the structure database of archaeal ribosome; reveal more differences and similarities between archaeal, bacterial, and eukaryotic ribosome and provide the structural basis for study of translation regulation and ribosome assembly in archaea.

核糖体是所有细胞中负责蛋白质合成的大分子机器，研究其结构与功能对了解蛋白质翻译机制和生命进化有重要意义。相比于细菌和真核生物，古菌核糖体的结构功能研究尚浅。本研究选取起源较早的嗜热古菌硫化叶菌核糖体为研究对象，利用单颗粒高端冷冻电镜技术，解析古菌核糖体高分辨率电镜结构。本研究的完成将极大地丰富古菌核糖体高分辨率结构数据库，更全面地揭示古菌核糖体与细菌和真核生物核糖体的异同之处，为研究古菌翻译过程的调控机制和核糖体的组装提供至关重要的结构基础。

核糖体是负责蛋白质合成的生物大分子机器，其成分和结构相对保守，但我们仍然能看到从原核生物到真核生物的诸多进化。古菌与细菌和真核生物并列为第三种生命形式，是原核生物中的一大类。古菌核糖体在大小和组成上与细菌相近，但是古菌核糖体RNA和核糖体蛋白质的基础结构更相似于真核生物。目前已经解析的古菌核糖体全部来自较晚进化的分支广古菌门，较泉古菌门有严重的缩减进化（reductive evolution），表现为核糖体蛋白数量的减少。本研究利用单颗粒冷冻电镜技术解析泉古菌门冰岛硫化叶菌Sulfolobus islandicus的核糖体结构，得到了3.1Å的小亚基和3.0Å的大亚基结构及几个衍生的构象，通过与广古菌核糖体和酵母核糖体的比较分析，我们可以看到泉古菌和广古菌核糖体的RNA十分类似，但泉古菌核糖体蛋白质的结构更接近酵母核糖体，说明泉古菌与真核生物的进化距离更短。冰岛硫化叶菌核糖体的高分辨率结构填补了泉古菌核糖体结构的空白。