临床科研 | 北大生科院季雄团队揭示RNA聚合酶交叉调控关系和机制

真核细胞RNA聚合酶的转录活性于1959年由Samuel Weiss课题组利用大鼠肝脏核抽提物和四种rNTP在体外首次检测到1。1969年，当时还在读研究生的美国生物化学家Robert Roeder 利用高盐溶液在海胆胚胎抽提物中发现、分离和纯化了三种形式的RNA聚合酶，并且按照它们在层析柱中洗脱出来的顺序依次命名为RNA聚合酶I、II、III2。1970年，Chambon课题组利用α-鹅膏蕈碱（a-amanitin）抑制实验证实存在三种不同活性的RNA聚合酶3。以蛋白质生成过程为例，核糖体RNA主要是由Pol I转录，核糖体蛋白的mRNA是由Pol II 转录，tRNA是由Pol III 转录。其中的一个关键，并且悬而未决的问题是：这三种RNA聚合酶如何协调以确保不同转录产物间的平衡。另外一个有意思的问题是Pol III主要转录tRNA, 但是其突变会导致不同组织的发育异常，也就是Pol III的转录如何产生组织特异性的影响？

2022年11月28日，北京大学季雄课题组一研究首次在同一种细胞内鉴定了三种RNA聚合酶的结合位点，研究了三者在全基因组水平上的交叉调控关系。研究者发现Pol III 对Pol II 转录调控影响最为广泛，鉴于对现有交叉调控机理的系统梳理发现至少有50%以上的基因表达变化是先前模型不能解释的，研究者提出并证实了Pol III-FACT通过局部染色质结构调控Pol II转录速率的新型机制。相关研究于近日发表在《Genome Biology》上。

研究者首先在小鼠胚胎干细胞中通过染色质免疫沉淀实验（ChIP-seq）对Pol I, Pol II, Pol III的染色质定位进行了系统鉴定，发现三者除了分别在各自转录基因区存在特异性结合外，还在基因组上存在数百个临近结合位点。进一步通过Pol I, Pol II, Pol III的诱导性蛋白质快速降解系统（degron），研究者分别降解其中一个进行另外两个的ChIP-seq实验，发现Pol III降解对Pol II的染色质结合的影响是其中变化最大的一组。而且Pol I, Pol II, Pol III降解前后的新生RNA检测实验（PRO-seq），也证实Pol III降解会造成最多Pol II peak区的转录变化，因此研究者首要研究了Pol III对Pol II的转录调控作用。

交叉ChIP-seq实验发现Pol III可以大规模影响Pol II基因转录

研究者通过分析Pol III 降解的PRO-seq和Pol II ChIP-seq信号在基因不同区域的变化情况，发现Pol III降解造成Pol II在一类基因内部区域的结合和转录信号增加，并且Pol III的其它亚基的降解也会造成了类似的Pol II转录变化，证实Pol III对Pol II介导的特异性基因的转录发挥调控作用。先前有三种模型来解释不同RNA聚合酶之间的交叉调控：1）转录干扰模型认为不同RNA聚合酶转录的基因存在重叠时，干扰彼此间的转录过程；2）成环模型认为不同RNA聚合酶转录的基因间可以通过形成染色质环彼此促进转录；3）非编码RNA模型认为RNA聚合酶转录的非编码RNA可以直接调控另一种RNA聚合酶转录机器的组装。研究者发现至少有50%的Pol III 影响的Pol II转录基因不能通过上述模型解释。

Pol III 与Pol II 交叉调控的转录干扰（Interference）, 成环（Looping）和非编码RNA (noncoding RNA)模型。

为了进一步探究这类调控背后的分子机制，研究者首先比较了Pol III在染色质上的结合和其发挥调控作用的这类基因的位置关系，发现Pol III在其调控的这类Pol II转录基因的启动子附近都有特异性结合，但是这些Pol III结合的位点并不是tRNA，因此意味着这些非编码区结合的Pol III发挥着对Pol II的调控作用。通过检测Pol III降解造成的染色质开放性和核小体占位变化（ATAC-seq），研究者发现Pol III降解特异性的造成调控基因的开放性降低，核小体占位增加。因此Pol III通过在非编码区的结合，造成临近的Pol II基因区的核小体占位发生变化，从而调控基因转录。结合定量质谱实验，研究者鉴定出了Pol III降解造成FACT复合体与Pol II的互作减少，从而造成Pol II转录区的染色质结构改变并导致其转录速率下降，从而导致Pol II在基因内部区域堆积，并通过FACT的功能缺失实验进一步确认了其在这一过程中发挥直接作用。

Pol III 通过FACT和局部染色质结构调控临近Pol II基因的转录速率模型

该项工作系统刻画了不同RNA聚合酶的交叉调控关系，特别是Pol III通过在非基因区的结合，组织局部染色质结构，帮助组蛋白分子伴侣FACT复合体结合染色质，从而调控Pol II在多种功能基因区的转录速率。本研究也为认识RNA聚合酶的转录交叉调控乃至RNA聚合酶III功能失常带来的多种组织发育异常提供了新的视角。

来源：北京大学生命科学学院

原文链接:

https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-022-02812-w

转自：“威斯腾生命科学研究院”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！