近日，清華大學醫(yī)學院沈曉驊和上海交通大學醫(yī)學院李兵團隊合作，在Nature Chemical Biology（自然?化學生物學）發(fā)表Phase separation of RNA-binding protein promotes polymerase binding and transcription（RNA結合蛋白通過相分離促進RNA聚合酶的結合和轉錄）的研究論文，報道了RNA結合蛋白利用其內在的結合RNA和相分離的活性，介導了Pol II在轉錄起始位點形成轉錄聚集體，從而區(qū)室化Pol II在轉錄位點的結合，以及Pol II進一步的磷酸化、釋放和轉錄延伸。

轉錄調控是細胞功能和發(fā)育的核心，受到一系列蛋白因子和非編碼元件的精細調控。近年來報道表明，轉錄是一個液-液相分離的過程（liquid-liquid phase separation, LLPS）。RNA聚合酶II（RNA polymerase II, Pol II）的招募（recruitment）、起始（initiation）、和釋放-延伸（pausing release and elongation），很可能反映了Pol II相分離聚集體（phase-separated condensates）的行為并其受其影響。有趣的是，轉錄以短暫爆發(fā)（burst）的形式發(fā)生并具有內在的隨機性（stochasticity），并且Pol II在染色質上的結合時間為秒級別，Pol II由起始向轉錄延伸轉變的效率極低（~1%）。這些現象表明，存在未知的限速事件調控Pol II在染色質上的行為。

RNA，包括編碼和非編碼RNA，廣泛地結合到染色質上，尤其是在基因啟動子和增強子等調控元件上，反饋調控轉錄并影響染色質的空間組織。有報道RNA可能通過相分離參與轉錄，但是這一假說仍然缺少一個關鍵環(huán)節(jié)，即連接RNA和以 DNA 結合活性為主的轉錄機器。真核生物轉錄與 RNA 加工是同時發(fā)生的。RNA 結合蛋白 (RNA-binding protein，RBP) 是貫穿RNA從合成到降解過程的重要蛋白因子。之前沈曉驊實驗室報道，參與RNA剪接的U1小核糖核蛋白粒子（U1 snRNP）廣泛調控非編碼RNA在染色質上的富集和移動（Yin et al., Nature, 2020）。啟動子附近的非編碼和初生RNA招募轉錄延伸因子 WDR43（也是核糖體生成因子）到染色質，促進Pol II釋放和轉錄延伸（Bi et al., Molecular Cell, 2019）。然而，RBP與 RNA協(xié)同直接參與轉錄調控，是否是一個普遍的規(guī)律？具體的生物化學機制是什么？這些仍有待證明和揭示。

該文首先通過定量質譜發(fā)現染色質組成蛋白(除histone外)一半以上的都是RNA 結合蛋白，數百種RBP以RNA和轉錄依賴的形式與染色質動態(tài)地結合。相比與非染色質RBP，染色質上的RBP具有更高比例的發(fā)生液-液相分離（LLPS）所需的低復雜度序列（LCS）和固有無序區(qū)（IDR）。對其中部分RBP候選蛋白的研究顯示，它們廣泛結合基因組調控元件，一方面在細胞內廣泛結合Pol II，另一方面可以在體外與Pol II 最大亞基的固有無序碳末端結構域 (carboxyl terminal domain, CTD)共同相分離。并且，當它們被敲低后會導致細胞整體轉錄活性的降低。

為探究RBP參與轉錄的生化機制，該文對PSPC1（paraspecle protein 1）進行了體內和體外的深入研究。首先，用AID (auxin-induced degradation) 系統(tǒng)誘導PSPC1的快速降解，導致Pol II磷酸化水平和在染色質上結合的整體下降，同時伴隨著細胞轉錄水平的下降。其次，通過液滴形成實驗（droplet formation），揭示了它通過相分離精細調控轉錄發(fā)生的一系列步驟。RNA上的負電荷會將 CTD 從轉錄因子的相分離小體中驅逐出去。然而， PSPC1 結合RNA時，不僅可以阻止 RNA對 CTD 的驅逐，而且利用RNA為多價分子促進PSPC1其自身的相分離，并富集 CTD到轉錄相分離聚集體，以及促進由CTD激酶（CDKs）介導的CTD磷酸化和釋放。重要的是，體外轉錄實驗表明，在轉錄全過程中，包括起始、暫停和延伸，PSPC1穩(wěn)定了Pol II 全酶（holoenzyme）與模板DNA的結合，并促進Pol II轉錄活性和RNA產生。值得一提的是，PSPC1在細胞內、外調控Pol II的活性，主要依賴于其RNA結合與相分離的能力。這個特征在諸多染色質結合的RBP上都存在，暗示了RBP與 RNA協(xié)同通過相分離調控轉錄的機制很可能普遍存在。這一工作從機制上為轉錄調控提供了新的見解，拓展了對多細胞真核生物基因表達異質性和復雜性調控的理解，將開啟以RNA為中心的轉錄研究的新篇章。

清華大學醫(yī)學院沈曉驊教授與上海交通大學醫(yī)學院李兵教授為本文的共同通訊作者。清華大學邵雯博士為本文的第一作者，沈曉驊實驗室已畢業(yè)的畢先駒博士、高博陽同學和上海交通大學醫(yī)學院的博士生潘奕萱等對本文做出了重要貢獻。同時，該研究還得到了中科院生物物理研究所李國紅課題組、清華大學鄧海騰課題組、哥倫比亞大學王建龍課題組的大力支持。

原文鏈接

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

參考文獻

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).

來源：清華大學