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研究成果

沈晓骅/李兵课题组合作揭示RNA结合蛋白通过相分离调控转录的新功能

2021-12-27

近日,清华大学亚博全站手机网页登录沈晓骅和上海交通大学亚博全站手机网页登录李兵团队合作,在Nature Chemical Biology(自然•化学生物学)发表Phase separation of RNA-binding protein promotes polymerase binding and transcription(RNA结合蛋白通过相分离促进RNA聚合酶的结合和转录)的研究论文,报道了RNA结合蛋白利用其内在的结合RNA和相分离的活性,介导了Pol II在转录起始位点形成转录聚集体,从而区室化Pol II在转录位点的结合,以及Pol II进一步的磷酸化、释放和转录延伸。

转录调控是细胞功能和发育的核心,受到一系列蛋白因子和非编码元件的精细调控。近年来报道表明,转录是一个液-液相分离的过程(liquid-liquid phase separation, LLPS)。RNA聚合酶II(RNA polymerase II, Pol II)的招募(recruitment)、起始(initiation)、和释放-延伸(pausing release and elongation),很可能反映了Pol II相分离聚集体(phase-separated condensates)的行为并其受其影响。有趣的是,转录以短暂爆发(burst)的形式发生并具有内在的随机性(stochasticity),并且Pol II在染色质上的结合时间为秒级别,Pol II由起始向转录延伸转变的效率极低(~1%)。这些现象表明,存在未知的限速事件调控Pol II在染色质上的行为。

RNA,包括编码和非编码RNA,广泛地结合到染色质上,尤其是在基因启动子和增强子等调控元件上,反馈调控转录并影响染色质的空间组织。有报道RNA可能通过相分离参与转录,但是这一假说仍然缺少一个关键环节,即连接RNA和以 DNA 结合活性为主的转录机器。真核生物转录与 RNA 加工是同时发生的。RNA 结合蛋白 (RNA-binding protein,RBP) 是贯穿RNA从合成到降解过程的重要蛋白因子。之前沈晓骅实验室报道,参与RNA剪接的U1小核糖核蛋白粒子(U1 snRNP)广泛调控非编码RNA在染色质上的富集和移动(Yin et al., Nature, 2020)。启动子附近的非编码和初生RNA招募转录延伸因子 WDR43(也是核糖体生成因子)到染色质,促进Pol II释放和转录延伸(Bi et al., Molecular Cell, 2019)。然而,RBP与 RNA协同直接参与转录调控,是否是一个普遍的规律?具体的生物化学机制是什么?这些仍有待证明和揭示。

该文首先通过定量质谱发现染色质组成蛋白(除histone外)一半以上的都是RNA 结合蛋白,数百种RBP以RNA和转录依赖的形式与染色质动态地结合。相比与非染色质RBP,染色质上的RBP具有更高比例的发生液-液相分离(LLPS)所需的低复杂度序列(LCS)和固有无序区(IDR)。对其中部分RBP候选蛋白的研究显示,它们广泛结合基因组调控元件,一方面在细胞内广泛结合Pol II,另一方面可以在体外与Pol II 最大亚基的固有无序碳末端结构域 (carboxyl terminal domain, CTD)共同相分离。并且,当它们被敲低后会导致细胞整体转录活性的降低。

为探究RBP参与转录的生化机制,该文对PSPC1(paraspecle protein 1)进行了体内和体外的深入研究。首先,用AID (auxin-induced degradation) 系统诱导PSPC1的快速降解,导致Pol II磷酸化水平和在染色质上结合的整体下降,同时伴随着细胞转录水平的下降。其次,通过液滴形成实验(droplet formation),揭示了它通过相分离精细调控转录发生的一系列步骤。RNA上的负电荷会将 CTD 从转录因子的相分离小体中驱逐出去。然而, PSPC1 结合RNA时,不仅可以阻止 RNA对 CTD 的驱逐,而且利用RNA为多价分子促进PSPC1其自身的相分离,并富集 CTD到转录相分离聚集体,以及促进由CTD激酶(CDKs)介导的CTD磷酸化和释放。重要的是,体外转录实验表明,在转录全过程中,包括起始、暂停和延伸,PSPC1稳定了Pol II 全酶(holoenzyme)与模板DNA的结合,并促进Pol II转录活性和RNA产生。值得一提的是,PSPC1在细胞内、外调控Pol II的活性,主要依赖于其RNA结合与相分离的能力。这个特征在诸多染色质结合的RBP上都存在,暗示了RBP与 RNA协同通过相分离调控转录的机制很可能普遍存在。这一工作从机制上为转录调控提供了新的见解,拓展了对多细胞真核生物基因表达异质性和复杂性调控的理解,将开启以RNA为中心的转录研究的新篇章。

清华大学亚博全站手机网页登录沈晓骅教授与上海交通大学亚博全站手机网页登录李兵教授为本文的共同通讯作者。清华大学邵雯博士为本文的第一作者,沈晓骅实验室已毕业的毕先驹博士、高博阳同学和上海交通大学亚博全站手机网页登录的博士生潘奕萱等对本文做出了重要贡献。同时,该研究还得到了中科院生物物理研究所李国红课题组、清华大学邓海腾课题组、哥伦比亚大学王建龙课题组的大力支持。

原文链接

https://doi.org/10.1038/s41589-021-00904-5

参考文献

1. Yin Y*, Lu JY, Zhang X, Shao W, Xu Y, Li P, Hong Y, Cui L, Shan G, Tian B, Zhang Q, Shen X*. (2020) U1 snRNP regulates chromatin retention of noncoding RNAs. Nature. 580(7801):147-150. (* co-corresponding)

2. Bi X, Xu Y, Li T, Li X, Li W, Shao W, Wang K, Zhan G, Wu Z, Liu W, Yin Y, Lu J.Y., Wang L, Zhao J, Wu J, Na J, Li G, Li P, Shen X. (2019) RNA targets ribosome biogenesis factor WDR43 to chromatin for transcription and pluripotency control. Mol Cell. 75: 102-116.

3. Lu J.Y.#, Chang L#, Li T#, Wang T, Yin Y, Zhan G, Han X, Zhang K, Tao Y, Percharde M, Wang L, Peng Q, Yan P, Zhang H, Bi X, Shao W, Hong Y, Wu Z, Ma R, Wang P, Li W, Zhang J, Chang Z, Hou Y, Zhu B, Ramalho-Santos M, Li P, Xie W, Na J, Sun Y*, Shen X*. Homotypic clustering of L1 and B1/Alu repeats compartmentalizes the 3D genome. Cell Research. 2021 Jun;31(6):613-630. (* co-corresponding; #co-first).

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