Sci Adv：选择性聚腺苷酸化通过在内含子和3'UTR位点之间切换来改变蛋白质剂量

背景

蛋白质组远比基因组多样化，一些研究估计，我们的细胞仅用25000个基因就能产生数十万种蛋白质。这种多样化大部分发生在mRNA前体 (pre-mRNA)水平，在翻译成蛋白质之前可以经历各种过程。近年来引起极大兴趣的一个过程是多聚腺苷酸化。随着新生RNA成熟，多聚腺苷酸化机制将其在3 '非翻译区 (UTR)的poly (A)位点 (PAS)切割，并合成聚腺苷酸或poly (A)尾部，以发出转录应终止的信号，以保护末端免受降解。最终3'UTR的长度决定了microRNA和RNA结合蛋白可结合的调控元件的数量，从而指导mRNA的翻译、稳定性、定位和产生蛋白的组织特异性功能。然而，每个mRNA不只有一个PAS：3'UTR可以包含几个PAS，PAS也可以位于外显子、内含子，甚至5'UTR内。按照惯例，PAS近端上游的3'UTR被称为组成型3'UTR，而仅存在于较长亚型中的下游区域称为“替代UTR”。因此，选择性聚腺苷酸化 (APA)描述了在3'UTR或基因内部的位点上使用任何替代PAS的裂解。与3'UTR-APA不同，当APA发生在基因内的PAS处时，称为“内部APA”。         

简介          

2023年2月17日，来自美国哥伦比亚大学欧文医学中心的Nicola de Prisco及其团队在Sci Adv (IF: 14.98)杂志上发表名为Alternative polyadenylation alters protein dosage by switching between intronic and 3'UTR sites的研究[1]。

研究要点

选择性多聚腺苷酸化 (APA)通过在位于3 '非翻译区 (3'UTR)、内含子或外显子的poly (A)位点切割前体mRNA，产生不同的转录本。大多数研究集中在3'UTR内的APA；然而，在本研究中，我们发现CPSF6功能不全会改变蛋白质水平，并通过解除对整个转录本的APA调控而引起发育综合征。在人类新生儿和斑马鱼幼鱼中，CPSF6不足以一种特定的方式改变了poly (A)位点在3'UTR和内部位点之间的使用。与神经元功能相关的基因多发生内含子APA，表达降低，而与心脏和骨骼功能相关的基因多发生3'UTR APA，表达上调。这表明，在健康条件下，细胞在内部和3'UTR APA之间切换以调控蛋白表达。

主要结果

CPSF6功能缺失会导致神经、心脏和骨骼异常

核心裂解和多聚腺苷酸化机制由四个名称相似的亚复合物组成：CFI，CFII，裂解和多聚腺苷酸化特异性因子，裂解刺激因子。我们重点关注CFI复合体，因为已知它参与PAS选择，并且其成员之一CPSF5 (裂解和多聚腺苷酸化特异性因子5，也称为NUDT21, nudix水解酶21)既往已在发育障碍患者中发现。因此，我们在几个患者数据库中筛选了涉及CPSF6或CPSF7 (切割和多聚腺苷酸化特异性因子7) 的缺失、重复或变异体的个体，即CFI复合体的另外两个成员。CPSF7和CPSF6在所有数据库中均有报道，而CPSF7在所有数据库中均未见报道。有8名受试者 (S1 ~ S8)携带0.25 ~ 9.41兆碱基 (Mb)的杂合缺失，其中最小重叠区域为CPSF6 (图1A)。在CPSF6有致病性单核苷酸变异 (SNV)的15例个体中，我们纳入了3例 (S9 ~ S11；图1 b)。所有三种错义变体都改变了高度保守直至斑马鱼的残基，并且在位置上对错义变体不耐受。Polyphen2预测这三种变异均具有高度破坏性 (图1B)。1名受试者还携带SCAF4 (SR相关CTD相关因子4)的变异，我们确定该变异与表型无关。

内部和3’UTR PAS使用之间的转换会影响mRNA和蛋白质的丰度

接下来，我们分析了PAC-seq数据集的差异表达基因 (DEGs)。PCA也很容易区分出三组。PolyA-miner分析在受试者8中发现了比在受试者11中更多的DEGs (图3A)。上调和下调基因之间的差异表达基因分布相当均匀，在两名受试者中，受影响的基因有大量实质性但不完全的重叠。我们发现大多数较长的转录本都受到上调。然而，较短的转录本被上调或下调的可能性相同；甚至3'UTR链本身的长度也与mRNA水平的高低无关。这与预期相反，因此我们在DEGs中检测了内含子和3'UTR PAS的使用。

cpsf6的缺失抑制了神经元基因，并上调了心血管和骨骼基因

在对患者来源的成纤维细胞进行相同分析之后，我们分析了mRNA，以识别野生型和突变型鱼类之间有差异表达的转录本，并分离了幼虫和头部样本。PCA整齐地分离了cpsf6−/−和野生型对照。与人类受试细胞一样，幼虫中的DEGs约有一半下调，一半上调 (图6A)。幼虫和头部样本之间的大部分DEGs重叠 (图6B)。大多数转录本，无论是短的还是长的，上调或下调的可能性相同。

人和斑马鱼中CPSF6功能的缺失会引起一种综合征，该综合征涉及神经、心血管和骨骼发育方面的损伤，其方式是使通常经历内部APA的大多数转录物改为经历3'UTR APA，反之亦然 (图6E)。这意味着，即使在健康条件下，内部APA，特别是内含子APA，在发育早期调控蛋白质表达方面也起着重要作用。

结论及展望

在本研究中，我们发现CPSF6功能的缺失对PAS选择和蛋白表达产生双向影响。我们的发现不同于之前在人胚胎肾 (HEK) 293T和C2C12细胞中研究CPSF6敲除并发现较短RNA亚型富集的研究。APA具有细胞类型特异性，人成纤维细胞可能不同于HEK293T和C2C12细胞。CPSF6缺陷的斑马鱼与在人类CPSF6缺陷中观察到的表型特征和APA模式相一致，这一事实提供了一个令人信服的案例，表明CPSF6以在所有脊椎动物物种中高度保守的方式控制PAS位点选择，并对发育期间的mRNA和蛋白表达产生显著影响。

原文链接

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ade4814

转自：“生物医学科研之家”微信公众号

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