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RNA聚合酶是由多亚基组成的复合物,负责转录生成不同类型的RNA,该家族共有5个成员,其中的Pols I-III在所有真核生物中均保守,而Pol IV和Pol V则是植物中特有的。其中Pol V作为核心组分参与了植物特异的由非编码RNA介导的DNA从头甲基化过程,在该调控途径的下游,Pol V通过产生lncRNA(long non-coding RNA)来招募DNA甲基转移酶从而引起基因组特定位点的基因沉默。在过去的几十年,RNA聚合酶家族的不同成员的结构陆续被解析,相应的生化活性与体内功能均已有深入研究,而Pol V作为家族的最后一员,其分子结构以及在DNA从头甲基化通路中作为支架而滞留在染色质的分子机制仍然是领域内亟待解决的重要科学问题。

近期,zoty中欧体育医学部李思思课题组博士后杜璇与南方科技大学生命科学学院杜嘉木教授课题组的两位成员共同对Pol V进行结构与功能的研究,最新的成果以“Structure and mechanism of the plant RNA polymerase V”为题在国际顶尖学术杂志Science上发表。zoty中欧体育为第二署名单位,南方科技大学、中国科学院遗传与发育生物学研究所、加利福尼亚大学洛杉矶分校为合作单位。


研究人员通过单克隆抗体富集了花椰菜(Brassica oleracea var. botrytis)花序中的Pol V,并利用南方科技大学冷冻电镜平台解析了Pol V以及Pol V转录延伸状态(Pol V-EC)的复合物结构。在Pol V-EC复合物中,双链DNA形成的转录泡清晰可见,尤其是非模板链被第NRPE2紧紧抓住,这是在其它Pols的转录复合物中未曾报道过的。NRPE2的一个酪氨酸伸入到双链DNA下游的分叉处,并与即将打开的碱基对形成疏水堆积的相互作用,同时与模板链的磷酸基团形成氢键相互作用,这些相互作用增强了Pol V对转录泡结合的稳定性。进一步的体外转录实验表明,由于Tyr495的阻碍作用,使得Pol V打开下游双链DNA的能力减弱,并出现转录停顿现象。这些证据揭示了Pol V的间歇性转录的分子机制。

除此之外,研究人员在体外转录实验中发现Pol V具有很强的3’-5’回溯活性,这种活性依赖Mg2+,并且即使在转录合成过程中也依然保持较高的强度。研究人员根据Pol V-EC复合物结构设计了一系列精巧的实验,发现转录泡的非模板链DNA对于Pol V的转录活性和3’-5’回溯作用都有显著影响。并且NRPE2与非模板链之间的相互作用是导致Pol V 3’-5’回溯作用增强的重要因素。

研究人员认为,Pol V利用转录停顿与回溯作用增强等机制,得以滞留在染色质上作为支架蛋白对下游作用因子进行招募。总体来讲,本项研究揭示了NRPE2引起的转录停顿和切割活性增强的分子机制,提出了植物在RNA介导的DNA甲基化通路中Pol V通过滞留在染色质上作为支架蛋白对下游作用因子进行招募,从而引起基因沉默的工作模型。

本项研究zoty中欧体育医学部李思思团队博士后杜璇、南方科技大学杜嘉木教授课题组博士生谢国辉和胡泓淼博士为该论文(共同)第一作者,南方科技大学杜嘉木教授为论文的通讯作者,zoty中欧体育李思思教授、加州大学洛杉矶分校Steven E. Jacobsen教授、中国科学院遗传发育所曹晓峰教授参与了课题的开展。该工作得到了深圳市科创委重点项目和孔雀团队项目、中国博士后基金会、国家自然科学基金以及美国NIGMS等基金的支持,冷冻电镜数据采集得到了南方科技大学冷冻电镜中心的大力支持。

全文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf8231


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