清華新聞網(wǎng)12月31日電 轉(zhuǎn)錄是遺傳信息的解讀、細(xì)胞功能和發(fā)育的核心，受到一系列蛋白因子和非編碼元件的精細(xì)調(diào)控。近年來(lái)報(bào)道表明，液-液相分離可能會(huì)影響RNA聚合酶II（RNA polymerase II, Pol II）在轉(zhuǎn)錄中的行為。有趣的是，Pol II具有大分子行為的物理隨機(jī)性。比如，Pol II與染色質(zhì)模板DNA的結(jié)合非常短暫（毫秒~秒），發(fā)生有效轉(zhuǎn)錄延伸的效率極低（~1%）。并且，轉(zhuǎn)錄不是連續(xù)發(fā)生的，而是以短暫爆發(fā)（burst）的形式發(fā)生?；虮磉_(dá)和生命活動(dòng)的有序性暗示一定存在未知的限速事件來(lái)操控Pol II的隨機(jī)性。我們知道，轉(zhuǎn)錄的產(chǎn)物?RNA?廣泛地結(jié)合到染色質(zhì)上，不僅反饋調(diào)控轉(zhuǎn)錄，而且會(huì)影響染色質(zhì)在細(xì)胞核內(nèi)的空間排布，從而影響遺傳信息的解讀。RNA結(jié)合蛋白 (RNA-binding protein，RBP) 是貫穿RNA從合成到降解過(guò)程的重要蛋白因子。那么，RNA與其結(jié)合蛋白R(shí)BP的協(xié)同互作，是否會(huì)直接參與轉(zhuǎn)錄過(guò)程？RNA調(diào)控是否是真核生物轉(zhuǎn)錄的普遍規(guī)律？具體的生物化學(xué)機(jī)制是什么？這些仍有待證明和揭示。
清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院沈曉驊團(tuán)隊(duì)和上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院李兵團(tuán)隊(duì)合作，近日在《自然?化學(xué)生物學(xué)》（Nature Chemical Biology）期刊上發(fā)表“RNA結(jié)合蛋白通過(guò)相分離促進(jìn)RNA聚合酶的結(jié)合和轉(zhuǎn)錄”（Phase separation of RNA-binding protein promotes polymerase binding and transcription）研究論文，報(bào)道了RNA結(jié)合蛋白利用其內(nèi)在的RNA結(jié)合和相分離的生物化學(xué)活性，介導(dǎo)Pol II轉(zhuǎn)錄聚集體的形成，以及進(jìn)一步促進(jìn)Pol II的活化和轉(zhuǎn)錄延伸。相分離在轉(zhuǎn)錄區(qū)室化調(diào)控中的作用，反映了生命分子機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)遵循物理原理。
RNA結(jié)合蛋白通過(guò)相分離促進(jìn)轉(zhuǎn)錄模式圖
該文首先通過(guò)定量質(zhì)譜發(fā)現(xiàn)染色質(zhì)組成蛋白(除histone外)一半以上的都是RNA 結(jié)合蛋白，數(shù)百種RBP以RNA和轉(zhuǎn)錄依賴(lài)的形式與染色質(zhì)動(dòng)態(tài)地結(jié)合。相比與非染色質(zhì)RBP，染色質(zhì)上的RBP具有更高比例的發(fā)生液-液相分離所需的低復(fù)雜度氨基酸序列和無(wú)序區(qū)。對(duì)其中部分RBP候選蛋白的研究顯示，它們廣泛結(jié)合基因組調(diào)控元件，一方面在細(xì)胞內(nèi)廣泛結(jié)合Pol II，另一方面可以在體外與Pol II最大亞基的固有無(wú)序碳末端結(jié)構(gòu)域 (carboxyl terminal domain, CTD)共同相分離。并且，當(dāng)它們被敲低后會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞整體轉(zhuǎn)錄活性的降低。
為探究RBP參與轉(zhuǎn)錄的生化機(jī)制，該文對(duì)PSPC1（paraspecle protein 1）進(jìn)行了體內(nèi)和體外的深入研究。首先，用AID (auxin-induced degradation) 系統(tǒng)誘導(dǎo)PSPC1的快速降解，導(dǎo)致Pol II磷酸化水平和在染色質(zhì)上結(jié)合的整體下降，同時(shí)伴隨著細(xì)胞轉(zhuǎn)錄水平的下降。其次，通過(guò)液滴形成實(shí)驗(yàn)（droplet formation），揭示了它通過(guò)相分離精細(xì)調(diào)控轉(zhuǎn)錄發(fā)生的一系列步驟。RNA上的負(fù)電荷會(huì)將CTD從轉(zhuǎn)錄因子的相分離小體中驅(qū)逐出去。然而， PSPC1結(jié)合RNA時(shí)，不僅可以阻止RNA對(duì)CTD的驅(qū)逐，而且利用RNA為多價(jià)分子促進(jìn)PSPC1其自身的相分離，并富集CTD到轉(zhuǎn)錄相分離聚集體，以及促進(jìn)由CTD激酶（CDKs）介導(dǎo)的CTD磷酸化和釋放。重要的是，體外轉(zhuǎn)錄實(shí)驗(yàn)表明，在轉(zhuǎn)錄全過(guò)程中，包括起始、暫停和延伸，PSPC1穩(wěn)定了Pol II全酶（holoenzyme）與模板DNA的結(jié)合，并促進(jìn)Pol II轉(zhuǎn)錄活性和RNA產(chǎn)生。值得一提的是，PSPC1在細(xì)胞內(nèi)、外調(diào)控Pol II的活性，主要依賴(lài)于其RNA結(jié)合與相分離的能力。這個(gè)特征在諸多染色質(zhì)結(jié)合的RBP上都存在，暗示了RBP與 RNA協(xié)同通過(guò)相分離調(diào)控轉(zhuǎn)錄的機(jī)制很可能普遍存在。這一工作從機(jī)制上為轉(zhuǎn)錄調(diào)控提供了新的見(jiàn)解，拓展了對(duì)多細(xì)胞真核生物基因表達(dá)異質(zhì)性和細(xì)胞命運(yùn)多樣性的理解，將開(kāi)啟以RNA為中心的轉(zhuǎn)錄研究的新篇章。
清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院沈曉驊教授與上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院李兵教授為本文的共同通訊作者。清華大學(xué)邵雯博士為本文的第一作者，沈曉驊實(shí)驗(yàn)室已畢業(yè)的畢先駒博士、高博陽(yáng)博士和上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院的博士生潘奕萱等對(duì)本文作出了重要貢獻(xiàn)。同時(shí)，該研究還得到了中科院生物物理研究所李國(guó)紅課題組、清華大學(xué)鄧海騰課題組、哥倫比亞大學(xué)王建龍課題組的大力支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41589-021-00904-5
供稿：醫(yī)學(xué)院
題圖設(shè)計(jì)：任左莉
編輯：李華山
審核：郭莉莉 周襄楠
