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                            ——中國科學院辦院方針

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                            分子植物卓越中心等解析植物中獨特的雙鏈RNA合成機制

                            2021-12-24 分子植物科學卓越創新中心
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                            [video:植物中獨特的雙鏈RNA合成機制]

                              轉座子(transposon)最早由美國遺傳學家Barbara McClintock在玉米中發現,在細菌、病毒以及真核生物的基因組中廣泛分布。轉座子類似內源性病毒,能夠在宿主基因組中“復制和粘貼”自己的DNA,以達到其自我“繁殖”的目的?;钴S的轉座子對基因組的穩定構成嚴重威脅,高等生物通過對轉座子DNA進行甲基化修飾將其沉默來維持基因組的穩定性。

                              RNA導向的DNA甲基化(RdDM)途徑是高等植物基因組甲基化的重要途徑。在該途徑中,植物獨有的兩個RNA聚合酶(Pol IV和Pol V)發揮了核心作用。Pol IV與RDR2合作產生小干擾RNA的dsRNA前體,經過加工后形成24個堿基的小干擾RNA,隨后這些小干擾RNA在Argonaut蛋白的幫助下與RNA聚合酶Pol V產生的scaffold RNA配對,從而招募DNA甲基轉移酶(DRM2)完成DNA的甲基化。

                              Pol IV和Pol V作為真核生物的第四個和第五個多亞基RNA聚合酶,其基因轉錄區域、轉錄起始、延伸和終止機制、轉錄調控方式均和Pol I、Pol II和Pol III有較大區別。Pol IV轉錄的獨特之處在于, Pol IV能夠與RDR2形成復合物,直接以雙鏈的基因組DNA為模板催化dsRNA的合成。雖然植物Pol IV和Pol V于2005年被發現,但其三維結構仍然未被報道,影響了關于Pol IV和Pol V的進一步深入研究。

                              近期,中國科學院分子植物科學卓越創新中心張余研究團隊、王佳偉研究團隊以及浙江大學馮鈺團隊合作,首次解析了植物Pol IV的結構,揭示了植物Pol IV-RDR2兩種RNA聚合酶組裝成的獨特復合物構造,并提出了Pol IV-RDR2以底物內部傳遞的機制實現雙鏈DNA為模板合成雙鏈RNA。

                              該研究克服了低豐度超大蛋白質復合物的制備瓶頸,通過擬南芥的懸浮細胞體系純化了內源的Pol IV-RDR2復合物,隨后通過冷凍電鏡單顆粒重構技術,解析了Pol IV-RDR2全酶和Pol IV-RDR2轉錄延伸復合物冷凍電鏡結構,結合生物化學和遺傳學實驗進一步闡明了Pol IV和RDR2協作的分子機制。

                              研究發現,三維結構支持Pol IV由Pol II進化而來,然而幾億年的進化使Pol IV的催化中心和外部結構單元與Pol II有所不同。首先,Pol IV蛋白的外部結構單元不能與TFIIB、TFIIE、TFIIF等Pol II特異轉錄起始因子相互作用,從而保證了Pol IV與Pol II的轉錄相互獨立。其次,Pol IV催化中心的核心元件發生變化,提示Pol IV轉錄過程容易發生停滯和倒退。

                              該研究最有意義的發現在于Pol IV和RDR2形成一個穩定的復合物,且這兩個聚合酶的催化中心由一個內部的通道相連接,Pol IV以雙鏈DNA為模板合成的單鏈RNA通過這個內部通道直接傳遞給RDR2,從而RDR2能夠以這條單鏈RNA為模板輸出雙鏈RNA。據此,研究人員提出了Pol IV-RDR2復合物以RNA內部傳遞的機制實現雙鏈DNA為模板合成雙鏈RNA的模型。首先,Pol IV在基因組DNA上前進,以雙鏈DNA為模板合成一定長度的單鏈RNA,在轉錄延伸過程中由于染色體的多重障礙以及Pol IV的內在性質導致Pol IV轉錄暫停并發生倒退,在Pol IV倒退的過程中,Pol IV合成的單鏈RNA從內部通道進入RDR2的催化中心,該單鏈RNA隨后被RDR2用作模板合成雙鏈RNA。RDR2在合成雙鏈RNA的過程中會促使Pol IV合成的單鏈RNA逐漸從Pol IV的催化中心解離。最后,RDR2完成雙鏈RNA的合成和釋放。上述特殊的作用機制能夠保證 Pol IV合成的單鏈RNA直接傳遞至RDR2,防止單鏈RNA的降解,另外,Pol IV-RDR2經過一輪雙鏈RNA合成之后,又回到轉錄起點,能夠開始下一輪雙鏈RNA合成,高效地實現了雙鏈RNA的擴增。

                              該研究首次揭示了真核生物第四個多亞基RNA聚合酶的三維構造,闡明了兩種RNA聚合酶Pol IV和RDR2協作轉錄的獨特分子機制,回答了RdDM途徑中雙鏈RNA如何合成的科學問題。研究結果拓展了真核生物RNA聚合酶結構和功能的多樣性,加深了對植物表觀遺傳機制的理解。

                              相關成果以Pol IV and RDR2: A two-RNA-polymerase machine that produces double-stranded RNA為題,于12月24日發表在《科學》上。研究得到國家自然科學基金、中科院戰略性先導科技專項、上海市基礎研究特區計劃項目和中科院重點部署項目的資助。

                              論文鏈接 

                            Pol IV-RDR2的三維結構以及二者高效合作合成雙鏈RNA的機制

                            打印 責任編輯:程博

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