Nature:針對RNA轉錄和剪接的新觀點!磷酸化調節著RNA聚合酶II對不...

2020-12-05 生物谷

2019年8月17日訊/

生物谷

BIOON/---細胞通常產生區室來控制重要的生物功能。細胞核就是一個很好的例子；它被核膜包圍著，容納著基因組。然而，細胞還含有未被膜包圍的較為短暫存在的封閉室，就像水中的油滴。在過去兩年中，這些稱為液滴狀「凝聚物（condensates）」的封閉室已越來越多地被認為是控制基因的主要參與者。如今，在一項新的研究中，來自美國懷特黑德生物醫學研究所的研究人員發現凝聚物在剪接中發揮作用，其中剪接是確保

遺傳

密碼準備轉化為蛋白的一個必不可少的過程。他們還揭示了一個細胞機器的關鍵部分如何在不同的凝聚物之間移動。相關研究結果近期發表在Nature期刊上，論文標題為「Pol II phosphorylation regulates a switch between transcriptional and splicing condensates」。

圖片來自Nature, 2019, doi:10.1038/s41586-019-1464-0。

論文通訊作者、麻省理工學院生物學教授、懷特黑德生物醫學研究所研究員Richard Young說，「凝聚物代表了分子生物學家對基因控制的思考方式的真正轉變。如今，我們為這一思考添加了一個關鍵的新層，這增強了我們對剪接和主要的轉錄複合物RNA聚合酶II的理解。」

Young的實驗室一直處於研究凝聚物形成方式和時間以及它們在基因調控中的功能的最前沿。在當前的這項新的研究中，Young和他的同事們，包括論文第一作者Eric Guo和John Manteiga，將他們的精力集中在基因進行轉錄時發生的關鍵轉變，其中轉錄是基因激活的一個早期步驟：依據基因的DNA模板產生RNA。首先，產生RNA所需的所有分子機器，包括稱為RNA聚合酶II的大型蛋白複合物，在給定基因上進行組裝。隨後，對RNA聚合酶II的特定化學修飾允許它開始將DNA轉錄成RNA。這種從所謂的轉錄起始轉變為活躍轉錄的過程還涉及另一個重要的分子轉變：隨著RNA分子開始延長，剪接複合物（splicing

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aratus）也必須介入其中並完成它的工作。

Young解釋道，「我們想退後一步，問道，『凝聚物在這種轉變中起著重要作用嗎？如果是這樣，那麼可能是什麼機制在起作用？』」

大約三十年來，人們已認識到剪接所需的因子存儲在稱為斑點（speckles）的區室中。然而，這些斑點是否在剪接中發揮積極作用，或者僅僅起著儲存容器的作用，目前仍不清楚。

通過使用共聚焦顯微鏡，這些研究人員發現在高度活躍的基因附近，凝聚物充滿了剪接複合物的組分。值得注意的是，這些結構表現出與Young實驗室在之前的研究中描述的那些參與轉錄起始的凝聚物相類似的液體狀特徵。

Manteiga,說，「這些研究結果告訴我們有兩種類型的凝聚物在其中發揮作用：一種凝聚物參與轉錄起始（即轉錄凝聚物），另一種轉錄起始參與剪接和轉錄延伸（即剪接凝聚物）。」

鑑於有兩種不同的凝聚物在起作用，這些研究人員想知道：這種關鍵的轉錄複合物，特別是RNA聚合酶II，如何從一種凝聚物轉移到另一種凝聚物？

Guo、Manteiga及其同事們發現化學修飾，特別是磷酸化（即添加磷酸基因），可以作為一種分子開關，改變這種蛋白複合物對特定凝聚物的親和力。當磷酸基團較少時，它與轉錄凝聚物結合在一起；當攜帶更多的磷酸基團時，它會進入剪接凝聚物（即參與剪接的凝聚物）中。這種磷酸化發生在這種蛋白複合物的一端，這端含有一個稱為C末端結構域（CTD）的特定區域。重要的是，CTD缺乏特定的三維結構，而且之前的研究已表明這種固有無序區域（intrinsically disordered region）可以影響某些蛋白如何以及何時被整合到凝聚物中。

Guo說，「有充分證據表明磷酸化作為一種信號來幫助調節RNA聚合酶II的活性。如今，我們證實它也可以作為一種開關改變這種蛋白對不同凝聚物的偏好。」

基於這些發現，這些研究人員提出了一個關於剪接區室的新觀點：這些區室主要起著倉庫的作用，當不需要時儲存支持這種剪接複合物所需的數千個分子。但是當剪接活躍時，RNA聚合酶II中發生磷酸化的CTD起著引誘劑的作用，將必需的剪接複合物的組分引向需要它們的基因並招募到剪接凝聚物中。

根據Young的說法，這種關於基因控制的新觀點部分上是通過一種多學科方法給出的，將生物學和物理學的觀點結合在一起有助了解物質屬性如何預測他和他的團隊在實驗中觀察到的一些分子行為。Young說，「將這兩個領域結合在一起開展研究令人難以置信的興奮。它為我們提供了一種觀察調節生物學世界的全新方式。」 （生物谷 Bioon.com）

參考資料：1.Yang Eric Guo et al. Pol II phosphorylation regulates a switch between transcriptional and splicing condensates. Nature, 2019, doi:10.1038/s41586-019-1464-0.

2.An emerging view of RNA transcription and splicing
https://phys.org/news/2019-08-emerging-view-rna-transcription-splicing.html

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