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NSMB | 基因表达调控的“规模经济”策略:转录越多剪接越快
2019-09-07

撰文 | 伊凯

责编 | 兮


RNA剪接是基因表达调控的关键步骤之一,其通过对新生RNA中的不同外显子和内含子进行筛选和剔除在相当程度上扩展了基因表达产物的多样性【1】。不过,细胞内大多数RNA剪接事件均组成型地发生在固定的外显子—内含子组合上,在不同细胞状态中均产生相同的成熟RNA序列【2】。尽管组成型RNA剪接(constitutive splicing)与基因转录在时间与空间上均具有紧密关联【3】,但剪接效率(splicing efficiency)与转录速率之间是否存在直接联系还尚未知。理论上,如果将RNA剪接考虑为一类酶促反应,则由米氏动力学方程(Michaelis-Menten kinetics)可知作为底物的新生RNA的浓度与剪接效率(成熟RNA浓度与总RNA浓度的比值)应当呈反相关关系【4】,这可以用微观经济学中的“收益递减”(diminishing returns)概念类比:其他投入固定不变时,连续地增加某种单一投入,最终新增的产出会减少至低于投入。然而,在真实的细胞环境中,由于RNA剪接受到多种复杂因素的调控,包括剪接体的浓度、剪接体与转录复合体的相互作用关系、以及被剪接RNA序列本身等【5】,剪接效率是否与转录速率呈上述简单反相关关系仍值得探讨。另外,一般对于RNA剪接效率的测量都是在细胞群体水平上进行的,这一基于平均成熟RNA浓度与平均总RNA浓度比值来反映剪接效率的方法显然会造成测量偏差;更重要的是,剪接后的成熟RNA在脱离剪接体后会发生降解效率的显著改变,故一般的RNA测序方法因不能直接测量结合至转录激活位点(transcription active site, TAS)的成熟与新生RNA浓度而无法准确反映剪接效率。总之,对影响剪接效率的因素尤其是其与转录速率的关系的研究,需要更精确的单细胞和单分子水平实验手段来实现。


近期,来自美国加州理工学院的合成生物学与系统生物学领域的著名学者Michael Elowitz与其实验室博士后Fangyuan DingNature Structural & Molecular Biology上发表了题为Constitutive splicing and economies of scale in gene expression的研究,利用RNA单分子荧光原位杂交(RNA single-molecule fluorescence in situ hybridization, smFISH)技术发现了基因转录速率与剪接效率令人惊讶的显著正相关关系,并提出了以适用于RNA剪接的修正后米氏方程为核心的数学模型来解释这一类比微观经济学中“规模经济”(economies of scale)概念的现象。



为了在单细胞及单分子水平精确测量转录激活位点附近的剪接水平,研究人员开发了一套基于单分子荧光原位杂交和图像分析的流程。简而言之,研究者首先利用三组不同荧光探针分别结合至由Dox诱导表达系统转录的人工合成的微基因的内含子和外显子上,然后经由荧光定量显微镜对发光位点的捕捉和分类后识别出对应于转录激活位点的类群,最后通过信号拟合、除噪等过程计算出某一特定位点上转录产生的总RNA量和剪接后RNA量(下图)



基于上述测量方法,研究人员以3T3细胞系中由外源定量过表达SHH激活的Gli1基因和HEK293细胞系中由Dox诱导激活的RG6微基因为实验对象,分别测量了其在不同转录水平下的剪接效率。令人惊讶的是,它们的RNA剪接效率均与各自的转录速率呈非常显著的正相关关系(下图)。这一与由米氏方程所预测的反相关关系完全相反的结论表明,基因的高转录水平并不会降低新生RNA中被组成型剪接的比例,相反却会促进这一过程发生而使这一比例提高。研究人员认为,这一出乎意料的现象与微观经济学中的“规模经济”概念极为类似,即扩大生产规模引起经济效益增加(单位成本下降)




对于基因表达的这一“规模经济”特征酶促反应的经典理论相反的情况,研究人员认为其核心在于米氏方程缺少对RNA剪接体在亚细胞核结构中不均匀空间分布的描绘,即方程中的酶促反应速率不应是一个常数。考虑到有研究报道高转录水平的基因相较于低转录水平的基因更接近核纤层(nuclear speckle),而核纤层可能富集了更多的剪接复合体,因此研究者在前述RNA单分子荧光原位杂交的基础上同时对核纤层标志蛋白SC35进行了免疫荧光染色,结果发现RNA剪接效率与其所在的转录激活位点与核纤层的空间距离呈显著反相关关系(下图)这一证据有力地证实了同一基因在不同转录激活位点上的剪接效率与转录速率的正相关关系是由剪接体的浓度差异造成的。



在这一实验证据的支持下,研究者对米氏动力学方程中的酶促反应速率做出了适用于RNA剪接的修正,即其不再是一个常数,而是与作为底物的新生RNA的浓度(亦即转录速率)呈正相关。经过这一修正后,研究者发现新的米氏方程很好地刻画了基因表达调控的“规模经济”特征,而不是原始方程所预测的“收益递减”特征(下图)



总之,该研究通过精密的单细胞-单分子定量分析技术和对经典酶促反应动力学理论的修正,发现和证实了RNA组成型剪接在基因表达过程中的出人意料的新角色:通过对高转录水平的转录激活位点分配更多的剪接复合体从而达到类似于经济学中的“规模经济”的高收益效应。这一发现无疑丰富了我们对RNA剪接在基因共转录调控中的角色认知,同时也挑战了由经典米氏方程描述的以酶及底物均匀时空分布为核心的细胞生化过程。


原文链接:

https://doi.org/10.1038/s41594-019-0226-x


参考文献


1.  Wang, E. T. et al. Alternative isoform regulation in human tissue transcriptomes. Nature (2008). doi:10.1038/nature07509

2. Chen, F. C., Wang, S. S., Chen, C. J., Li, W. H. & Chuang, T. J. Alternatively and constitutively spliced exons are subject to different evolutionary forces. Mol. Biol. Evol. (2006). doi:10.1093/molbev/msj081

3. Neugebauer, K. M. On the importance of being co-transcriptional. J. Cell Sci. (2002). doi:10.1242/jcs.00073

4. Michaelis, L. & Menten, M. L. Die Kinetik der Invertinwirkung. Biochem. Z. (1913).

5.  Lee, Y. & Rio, D. C. Mechanisms and Regulation of Alternative Pre-mRNA Splicing. Annu. Rev. Biochem. (2015). doi:10.1146/annurev-biochem-060614-034316


制版人:半夏


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