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科研進展

Science: 陳玲玲組和劉珈泉組合作發(fā)現(xiàn)長非編碼RNA對細胞核仁結(jié)構(gòu)和RNA聚合酶I轉(zhuǎn)錄的重要調(diào)控機制

來源: 時間:2021-07-29

[video:揭示長非編碼RNA以“RNA分子伴侶”機制參與細胞命運活動]

 

      7月30日,國際知名學術(shù)期刊《科學》(Science)以Research Article形式發(fā)表了中國科學院分子細胞科學卓越創(chuàng)新中心(生物化學與細胞生物學研究所)陳玲玲研究組和劉珈泉研究組的合作研究成果“l(fā)ncRNA SLERT controls phase separation of FC/DFCs to facilitate Pol I transcription”,并獲同期Perspectives專評。該研究首次揭示了長非編碼RNA SLERT以RNA分子伴侶機制改變互作核仁蛋白DDX21構(gòu)象進而影響FC/DFC區(qū)域的大小和流動性,維持RNA聚合酶I高效轉(zhuǎn)錄生成核糖體RNA。

  核仁是細胞核內(nèi)的核糖體RNA加工廠,從形態(tài)上由內(nèi)而外可以分為三層結(jié)構(gòu):纖維中心區(qū)(FC)、高密度纖維區(qū)(DFC)和顆粒區(qū)(GC)。陳玲玲組前期利用超高分辨率顯微鏡系統(tǒng)詳細剖析了人類活細胞的核仁三維精細結(jié)構(gòu),他們發(fā)現(xiàn)核仁含有多個球殼狀FC/DFC單元;每個FC/DFC包括2-3個拷貝活躍的rDNA, RNA聚合酶I轉(zhuǎn)錄復(fù)合物聚集在FC區(qū)域邊緣對rDNA進行轉(zhuǎn)錄;DFC內(nèi)rRNA前體加工蛋白,例如Fibrillarin(FBL)在DFC區(qū)域呈現(xiàn)簇狀結(jié)構(gòu),并參與調(diào)控rRNA前體的定向轉(zhuǎn)運和核仁DFC的組裝(Yao et al.,Mol Cell,2019)。2017年陳玲玲組發(fā)現(xiàn)一條兩端以snoRNA結(jié)尾的新型長非編碼RNA—SLERT定位在細胞核仁,SLERT直接結(jié)合核仁蛋白DDX21并調(diào)控其形成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)的大小進而促進RNA聚合酶I轉(zhuǎn)錄(Xing et al.,Cell,2017)。RNA聚合酶I轉(zhuǎn)錄發(fā)生在FC和DFC的交界處,SLERT主要定位在DFC區(qū)域,那么SLERT是如何通過結(jié)合DDX21在精密組裝的核仁內(nèi)對RNA聚合酶I轉(zhuǎn)錄活性進行調(diào)控呢?

  在這項最新的研究中,研究人員發(fā)現(xiàn)SLERT的缺失不僅導致DDX21簇狀球殼結(jié)構(gòu)變小和蛋白流動性降低,還會引起整個FC/DFC轉(zhuǎn)錄單元的縮小和固化?;诤巳式Y(jié)構(gòu)特點,研究人員利用超高分辨率結(jié)構(gòu)照明顯微鏡(SIM)成像技術(shù),發(fā)現(xiàn)DDX21依賴于DFC區(qū)域的形成定位在DFC區(qū)域外側(cè),且DDX21層對內(nèi)層結(jié)構(gòu)有限制作用,對核仁組裝和結(jié)構(gòu)維持的機制有了更深的認識。

  核仁作為細胞內(nèi)最大的無膜細胞器,其相分離的特征對核仁結(jié)構(gòu)、動態(tài)變化及生理功能產(chǎn)生了重要作用。為了進一步研究SLERT調(diào)控核仁FC/DFC的機制,研究人員利用體外蛋白質(zhì)相分離、熒光漂白恢復(fù)、沉淀分離等技術(shù)手段發(fā)現(xiàn)DDX21蛋白在體外呈現(xiàn)纖維狀(fiber)形態(tài),這種DDX21的纖維結(jié)構(gòu)與經(jīng)典的FBL液滴相比是極度固化的,SLERT可以減弱DDX21的fiber形成程度,提高DDX21蛋白流動性以及解除DDX21對FBL的限制作用。

  DDX21存在強度相當且相互影響的分子內(nèi)和分子間相互作用,較強的分子間相互作用導致蛋白多聚化增加,DDX21分子的高度聚集壓縮FC/DFC區(qū)域的大小,限制FC/DFC區(qū)域的流動性;SLERT與DDX21結(jié)合增加DDX21分子內(nèi)相互作用,使DDX21分子呈現(xiàn)閉合構(gòu)象;閉合構(gòu)象的DDX21具有較低的分子間結(jié)合作用,減弱DDX21對FC/DFC大小的抑制,并且形成較為疏松的空間環(huán)境來維持RNA聚合酶I的高效轉(zhuǎn)錄。

  為了進一步研究SLERT調(diào)控的DDX21簇如何影響rDNA的轉(zhuǎn)錄,陳玲玲組和劉珈泉組合作使用單分子全內(nèi)反射熒光顯微鏡(smTIRF)發(fā)現(xiàn)DDX21在50nM時會形成數(shù)百個分子的蛋白聚集,DDX21分子簇可以結(jié)合并卷曲線性的rDNA分子,被DDX21纏繞的rDNA不能與RNA聚合酶I的重要亞基RPA49結(jié)合。SLERT促進DDX21閉合的構(gòu)象和增大DDX21流動性可以阻止DDX21對rDNA的包裹,從而保證RNA聚合酶I復(fù)合物在rDNA上的有效占位并進行轉(zhuǎn)錄。

  lncRNA一般表達量較低,其發(fā)揮調(diào)控作用的模式一直是領(lǐng)域內(nèi)探討的重要問題,然而傳統(tǒng)生物學的一對一靶向理論并不完全適用于lncRNA的低劑量分子數(shù)和其所控制的生物表型。此項研究發(fā)現(xiàn)SLERT可作為RNA分子伴侶低劑量調(diào)控DDX21的多聚狀態(tài),SLERT傾向于結(jié)合開放構(gòu)象的DDX21,誘導其成閉合狀態(tài)之后SLERT會釋放閉合構(gòu)象的DDX21轉(zhuǎn)而結(jié)合新的具有開放構(gòu)象的DDX21開啟下一個功能循環(huán)。

  中國科學院分子細胞科學卓越創(chuàng)新中心(生物化學與細胞生物學研究所)陳玲玲研究組博士研究生吳曼、許光和劉珈泉研究組博士研究生韓沖為該論文的共同第一作者,陳玲玲研究員、劉珈泉研究員為該論文的共同通訊作者。陳玲玲組博士研究生欒鵬飛、楊良中、楊正虎、單琳,博士后黃友葵和已畢業(yè)博士生邢宇航參與工作。該研究也得到中國科學院上海營養(yǎng)與健康所(原計算生物學研究所)楊力研究員及其博士研究生南芳的大力幫助。

      該工作首次發(fā)現(xiàn)SLERT以RNA分子伴侶機制調(diào)控蛋白質(zhì)的構(gòu)象和多聚狀態(tài)并且觀察到單分子水平下蛋白質(zhì)微觀相分離的功能特征和調(diào)控機制。蛋白質(zhì)的多聚狀態(tài)與其流動性、分子間相互作用以及功能發(fā)揮直接相關(guān),RNA分子伴侶通過跨越數(shù)量級調(diào)控核仁蛋白質(zhì)相分離特性維持細胞核仁正常的形態(tài)功能,對lncRNA領(lǐng)域和相分離領(lǐng)域的深入研究具有重大意義。該工作獲得來自基金委、中科院、科技部和上海市科委的經(jīng)費支持。

  文章鏈接:https://science.sciencemag.org/content/373/6554/547

  (A)左上:體外相分離實驗中,纖維狀DDX21的形成隨蛋白濃度降低而減弱;左下:在不同的實驗體系中,不同濃度的DDX21蛋白呈現(xiàn)不同的分子狀態(tài),SLERT可以增加DDX21蛋白的流動性;右:體內(nèi)實驗和體外重構(gòu)實驗中,SLERT通過結(jié)合DDX21增加FC/DFC轉(zhuǎn)錄單元的大小和流動性。

  (B)DDX21分子抱團聚集在核仁DFC區(qū)域的外側(cè),并且限制FC/DFC區(qū)域的大小和流動性。SLERT調(diào)控DDX21的構(gòu)象由開放轉(zhuǎn)為閉合,DDX21分子呈現(xiàn)低聚的疏松狀態(tài),為Pol I的高效轉(zhuǎn)錄提供合適的空間環(huán)境。Pol I轉(zhuǎn)錄發(fā)生在FC和DFC的交界處,DDX21卷曲纏繞rDNA阻止Pol I轉(zhuǎn)錄復(fù)合物在rDNA的占位。SLERT調(diào)控DDX21的構(gòu)象和流動性抑制DDX21對rDNA的纏繞從而促進Pol I轉(zhuǎn)錄。

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