DNA損傷常導致RNA聚合酶II (Pol II) 蛋白的降解，化學物質(zhì)抑制轉錄、UV照射，以及血清饑餓也可引發(fā)該蛋白的降解。然而，Pol II蛋白水平下降后，其具體的分子調(diào)控網(wǎng)絡變化和相關機制仍不清楚。季雄團隊早前利用蛋白質(zhì)瞬時降解系統(tǒng)，研究了Pol II的全部12個亞基的具體功能分工。結果發(fā)現(xiàn)大多數(shù)亞基的降解會導致全局的基因表達下調(diào)，但意外地觀察到一小部分基因表達上調(diào)的情況。本研究在此基礎上進一步探討了Pol II大亞基蛋白的降解導致轉錄水平上調(diào)基因的特征，闡明了這些基因表達上調(diào)的原因。此外，本研究還關注外界環(huán)境刺激條件下引起Pol II降解的情形，揭示類似的調(diào)控機制也可能會發(fā)生。

論文發(fā)表封面

2024年6月6日 ，北京大學生命科學學院、北大-清華生命科學聯(lián)合中心季雄課題組在Nucleic Acids Research發(fā)表了題為“Increased transcriptional elongation and RNA stability of GPCR ligand binding genes unveiled via RNA polymerase II degradation”的研究論文。本研究的結果顯示Pol II的大亞基RPB1蛋白降解會導致全局性的基因表達下調(diào)，但與G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）配體結合相關的一小部分基因卻會上調(diào)表達，原因是這些基因的轉錄延伸和mRNA穩(wěn)定性增加。在外部環(huán)境刺激引起Pol II的大亞基降解后，這一現(xiàn)象同樣被觀察到，表明細胞通過提高GPCR配體結合相關基因的轉錄延伸和RNA穩(wěn)定性來應對細胞中轉錄全局下調(diào)引發(fā)的反饋機制。

圖1. 瞬時降解 Pol II 的 RPB1，盡管活躍基因的表達全局下調(diào)，部分參與GPCR配體結合相關基因反而表達增加

外界環(huán)境刺激條件下，通常會造成Pol II 大亞基的蛋白不穩(wěn)定，為了深入研究相關基因調(diào)控機制。本研究首先利用生長素誘導的蛋白瞬時降解系統(tǒng)對Pol II的大亞基RPB1進行降解。結果表明，RPB1降解導致了預期的全局轉錄抑制以及RNA代謝因子和染色質(zhì)調(diào)控因子在染色質(zhì)上的結合下降。令人驚訝的是， 少部分基因的表達呈現(xiàn)上調(diào)。多種轉錄組實驗方法的結果證實，這些基因在成熟RNA和新生RNA水平均表現(xiàn)出明顯的表達上調(diào)。這一現(xiàn)象在RPB2和RPB6降解后沒有觀測到，但是在除了RPB4和RPB12外的亞基降解后都觀測到了類似現(xiàn)象。

Pol II 降解后上調(diào)基因特征分析發(fā)現(xiàn)Polycomb 結合的、較少轉錄暫停的短基因表達增加。這些上調(diào)的基因在參與 GPCR 配體結合的功能類別中富集。接下來，研究發(fā)現(xiàn)，在RPB1降解后，盡管上調(diào)基因上總的Pol II占位下降，但pSer2形式的RPB1（轉錄延伸標志）的占位卻增加了。同時，上調(diào)基因的RNA穩(wěn)定性也顯著增加。這表明細胞通過提高這些基因的轉錄延伸和RNA穩(wěn)定性，來應對RPB1降解所帶來的應激反應。之后，研究團隊在不同的應激條件下，如α-鵝膏蕈堿或紫外線處理，同樣發(fā)現(xiàn)RPB1降解導致全局基因轉錄抑制，同時也激活了一些特定的基因。通過對這些基因的功能富集分析，發(fā)現(xiàn)它們同樣主要參與GPCR配體結合和環(huán)境刺激響應，因而這些發(fā)現(xiàn)對于理解細胞在應對外部壓力時的基因調(diào)控機制具有重要意義。

本研究還發(fā)現(xiàn)，RPB1降解后，H3K27me3占位減少而H3K27me3的“eraser”，KDM6B占位增加。RPB2降解卻導致H3K9me3和H3K9me3的“writer”，SUV39H1占位減少。這表明RPB1和RPB2在染色質(zhì)修飾和基因激活方面具有不同的作用機制。但是這些表觀修飾變化，以及轉錄延伸速度、轉錄終止、RNA剪接和RNA 3’加工和RNA出核轉運等，都不能解釋基因表達的上調(diào)現(xiàn)象。

總體而言，本研究揭示了在RPB1蛋白降解后，特定基因通過增加轉錄延伸和RNA穩(wěn)定性來維持其表達，這為理解細胞在面對轉錄抑制時的應對機制提供了新視角。特別是，GPCR配體結合基因的上調(diào)可能代表了一種細胞適應轉錄機器受損的應激反應機制。此外，本研究中Pol II瞬時降解后的染色質(zhì)蛋白質(zhì)組變化結果也為未來研究Pol II偶聯(lián)的RNA、DNA代謝過程，提供了重要線索。

圖2. RPB1在α-鵝膏蕈堿或紫外線處理后降解，導致全局轉錄抑制和特定基因上調(diào)，特定基因通過增加轉錄延伸和RNA穩(wěn)定性來維持其表達來應對RPB1降解所帶來的應激反應

季雄和北京大學生命科學學院，北京大學核糖核酸北京研究中心 (BEACON) 黃捷博士是該論文的共同通訊作者。北京大學生命科學學院博士研究生包麗君（2021級）、朱峻毅（2021級）是該論文的共同第一作者。該工作得到國家自然科學基金原創(chuàng)探索項目、北大-清華生命科學聯(lián)合中心、啟東創(chuàng)新基金、成都研究院前沿創(chuàng)新基金、細胞增殖與分化教育部重點實驗室和科技部國家重點研發(fā)計劃的資助。感謝北京大學鳳凰工程多個儀器平臺對本項目的大力支持。

參考文獻：

1. Jiang, Y., Huang, J., Lun, K., Li, B., Zheng, H., Li, Y., Zhou, R., Duan, W., Wang, C., Feng, Y. et al. (2020) Genome-wide analyses of chromatin interactions after the loss of Pol I, Pol II, and Pol III. Genome biology, 21, 158.

2. Li, Y., Huang, J., Zhu, J., Bao, L., Wang, H., Jiang, Y., Tian, K., Wang, R., Zheng, H., Duan, W. et al. (2022) Targeted protein degradation reveals RNA Pol II heterogeneity and functional diversity. Molecular cell, 82, 3943—3959.e3911.

3. Huang, J. and Ji, X. (2023) Never a dull enzyme, RNA polymerase II. Transcription, 14, 49—67.

來源：北京大學