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分子細胞卓越中心發現長非編碼RNA對細胞核仁結構和RNA聚合酶I轉錄的調控機制

2021-07-30 分子細胞科學卓越創新中心
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[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,《科學》(Science)以Research Article形式發表了中國科學院分子細胞科學卓越創新中心(生物化學與細胞生物學研究所)研究員陳玲玲研究組和研究員劉珈泉研究組的合作研究成果——lncRNA 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構象進而影響FC/DFC區域的大小和流動性,維持RNA聚合酶I高效轉錄生成核糖體RNA。

  核仁是細胞核內的核糖體RNA加工廠,從形態上由內而外可以分為三層結構:纖維中心區(FC)、高密度纖維區(DFC)和顆粒區(GC)。陳玲玲組前期利用超高分辨率顯微鏡系統,剖析了人類活細胞的核仁三維精細結構,發現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轉錄復合物聚集在FC區域邊緣對rDNA進行轉錄;DFC內rRNA前體加工蛋白,如Fibrillarin(FBL)在DFC區域呈現簇狀結構,并參與調控rRNA前體的定向轉運和核仁DFC的組裝(Yao et al.,Mol Cell,2019)。2017年,陳玲玲組發現一條兩端以snoRNA結尾的新型長非編碼RNA——SLERT定位在細胞核仁,SLERT直接結合核仁蛋白DDX21并調控其形成的環狀結構的大小進而促進RNA聚合酶I轉錄(Xing et al.,Cell,2017)。RNA聚合酶I轉錄發生在FC和DFC的交界處,SLERT主要定位在DFC區域,那么SLERT是如何通過結合DDX21在精密組裝的核仁內對RNA聚合酶I轉錄活性進行調控呢?

  該研究中,研究人員發現SLERT的缺失不僅會導致DDX21簇狀球殼結構變小和蛋白流動性降低,還會引起整個FC/DFC轉錄單元的縮小和固化。基于核仁結構特點,研究人員利用超高分辨率結構照明顯微鏡(SIM)成像技術,發現DDX21依賴于DFC區域的形成定位在DFC區域外側,且DDX21層對內層結構具有限制作用,對核仁組裝和結構維持的機制有了更深入的認識。

  核仁作為細胞內最大的無膜細胞器,其相分離的特征對核仁結構、動態變化及生理功能產生了重要作用。為了進一步研究SLERT調控核仁FC/DFC的機制,研究人員利用體外蛋白質相分離、熒光漂白恢復、沉淀分離等技術手段,發現DDX21蛋白在體外呈現纖維狀(fiber)形態,這種DDX21的纖維結構與經典的FBL液滴相比是極度固化的,SLERT能夠減弱DDX21的fiber形成程度、提高DDX21蛋白流動性和解除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區域的大小,限制FC/DFC區域的流動性;SLERT與DDX21結合增加DDX21分子內相互作用,使DDX21分子呈現閉合構象;閉合構象的DDX21具有較低的分子間結合作用,減弱DDX21對FC/DFC大小的抑制,并且形成較疏松的空間環境以維持RNA聚合酶I的高效轉錄。

  為了進一步研究SLERT調控的DDX21簇如何影響rDNA的轉錄,陳玲玲組和劉珈泉組合作使用單分子全內反射熒光顯微鏡(smTIRF),發現DDX21在50nM時會形成數百個分子的蛋白聚集,DDX21分子簇可以結合并卷曲線性的rDNA分子,被DDX21纏繞的rDNA不能與RNA聚合酶I的重要亞基RPA49結合。SLERT促進DDX21閉合的構象和增大DDX21流動性能夠阻止DDX21對rDNA的包裹,從而保證RNA聚合酶I復合物在rDNA上的有效占位并進行轉錄。

  lncRNA一般表達量較低,其發揮調控作用的模式一直是該領域探討的重要問題。然而,傳統生物學的“一對一靶向”理論并不完全適用于lncRNA的低劑量分子數和其所控制的生物表型。該研究發現,SLERT可作為RNA分子伴侶低劑量調控DDX21的多聚狀態,SLERT傾向于結合開放構象的DDX21,誘導其成閉合狀態之后,SLERT會釋放閉合構象的DDX21轉而結合新的具有開放構象的DDX21,開啟下一個功能循環。

  該研究首次發現SLERT以RNA分子伴侶機制調控蛋白質的構象和多聚狀態,并觀察到單分子水平下蛋白質微觀相分離的功能特征和調控機制。蛋白質的多聚狀態與其流動性、分子間相互作用和功能發揮直接相關,RNA分子伴侶通過跨越數量級調控核仁蛋白質相分離特性維持細胞核仁正常的形態功能,對lncRNA領域和相分離領域的深入研究產生重要影響。研究工作獲得國家自然科學基金委、中科院、科學技術部和上海市科委的支持。 

  論文鏈接 

  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蛋白呈現出不同的分子狀態,SLERT可以增加DDX21蛋白的流動性;右:在體內實驗和體外重構實驗中,SLERT通過結合DDX21增加FC/DFC轉錄單元的大小和流動性。(BDDX21分子抱團聚集在核仁DFC區域的外側,并且限制FC/DFC區域的大小和流動性。SLERT調控DDX21的構象由開放轉為閉合,DDX21分子呈現低聚的疏松狀態,為Pol I的高效轉錄提供合適的空間環境。Pol I轉錄發生在FCDFC的交界處,DDX21卷曲纏繞rDNA阻止Pol I轉錄復合物在rDNA的占位。SLERT調控DDX21的構象和流動性抑制DDX21rDNA的纏繞從而促進Pol I轉錄。 

打印 責任編輯:張芳丹

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