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Science丨陈玲玲团队合作发现长非编码RNA对细胞核仁结构和RNA聚合酶I转录的重要调控机制
2021-07-30
核仁是细胞核内的核糖体RNA加工厂,从形态上由内而外可以分为三层结构:纤维中心区(FC)、高密度纤维区(DFC)和颗粒区(GC)。陈玲玲研究团队前期利用超高分辨率显微镜系统详细剖析了人类活细胞的核仁三维精细结构,他们发现核仁含有多个球壳状FC/DFC单元;每个FC/DFC包括2-3个拷贝活跃的rDNA, RNA聚合酶I转录复合物聚集在FC区域边缘对rDNA进行转录;DFC内rRNA前体加工蛋白,例如Fibrillarin(FBL)在DFC区域呈现簇状结构,并参与调控rRNA前体的定向转运和核仁DFC的组装(Mol Cell | 陈玲玲组首次提出相分离促进新生成rRNA前体定向转运的模型【1】。2017年陈玲玲团队发现一条两端以snoRNA结尾的新型长非编码RNA—SLERT定位在细胞核仁,SLERT直接结合核仁蛋白DDX21并调控其形成的环状结构的大小进而促进RNA聚合酶I转录(陈玲玲组Cell首次发现调控RNA聚合酶转录的lncRNA【2】。RNA聚合酶I转录发生在FC和DFC的交界处,SLERT主要定位在DFC区域,那么SLERT是如何通过结合DDX21在精密组装的核仁内对RNA聚合酶I转录活性进行调控呢?
2021年7月30日, Science以Research Article形式在线发表了中国科学院分子细胞科学卓越创新中心(生物化学与细胞生物学研究所)陈玲玲研究组和刘珈泉研究组的合作研究成果 lncRNA SLERT controls phase separation of FC/DFCs to facilitate Pol I transcription。该研究首次揭示了长非编码RNA SLERT以RNA分子伴侣机制改变互作核仁蛋白DDX21构象进而影响FC/DFC区域的大小和流动性,维持RNA聚合酶I高效转录生成核糖体RNA。
 
 
在这项最新的研究中,研究人员发现SLERT的缺失不仅导致DDX21簇状球壳结构变小和蛋白流动性降低,还会引起整个FC/DFC转录单元的缩小和固化。基于核仁结构特点,研究人员利用超高分辨率结构照明显微镜(SIM)成像技术,发现DDX21依赖于DFC区域的形成定位在DFC区域外侧,且DDX21层对内层结构有限制作用,这对核仁组装和结构维持的机制有了更深的认识。
 
 
核仁作为细胞内最大的无膜细胞器,其相分离的特征对核仁结构,动态变化及生理功能产生了重要作用【3】。为了进一步研究SLERT调控核仁FC/DFC的机制,陈玲玲团队利用体外蛋白质相分离、荧光漂白恢复、沉淀分离等技术手段发现DDX21蛋白在体外呈现纤维状(fiber)形态,这种DDX21的纤维结构与经典的FBL液滴相比是极度固化的,SLERT可以减弱DDX21的fiber形成程度,提高DDX21蛋白流动性以及解除DDX21对FBL的限制作用。
 
 
DDX21存在强度相当且相互影响的分子内和分子间相互作用,较强的分子间相互作用导致蛋白多聚化增加,DDX21分子的高度聚集压缩FC/DFC区域的大小,限制FC/DFC区域的流动性,SLERT与DDX21结合增加DDX21分子内相互作用,使DDX21分子呈现闭合构象,闭合构象的DDX21具有较低的分子间结合作用,减弱DDX21对FC/DFC大小的抑制并且形成较为疏松的空间环境来维持RNA聚合酶I的高效转录。
 
为了进一步研究SLERT调控的DDX21簇如何影响rDNA的转录,陈玲玲团队和刘珈泉团队合作使用单分子全内反射荧光显微镜(smTIRF)发现DDX21在50nM时会形成数百个分子的蛋白聚集,DDX21分子簇可以结合并卷曲线性的rDNA分子,被DDX21缠绕的rDNA不能与RNA聚合酶I的重要亚基RPA49结合。SLERT促进DDX21闭合的构象和增大DDX21流动性可以阻止DDX21对rDNA的包裹,从而保证RNA聚合酶I复合物在rDNA上的有效占位并进行转录。
 
lncRNA一般表达量较低,其发挥调控作用的模式一直是领域内探讨的重要问题,然而传统生物学的一对一靶向理论并不完全适用于lncRNA的低剂量分子数和其所控制的生物表型。此项研究发现SLERT可作为RNA分子伴侣低剂量调控DDX21的多聚状态,SLERT倾向于结合开放构象的DDX21,诱导其成闭合状态之后SLERT会释放闭合构象的DDX21转而结合新的具有开放构象的DDX21开启下一个功能循环。
 
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该工作首次发现SLERT以RNA分子伴侣机制调控蛋白质的构象和多聚状态并且观察到单分子水平下蛋白质微观相分离的功能特征和调控机制。蛋白质的多聚状态与其流动性,分子间相互作用以及功能发挥直接相关,RNA分子伴侣通过跨越数量级调控核仁蛋白质相分离特性维持细胞核仁正常的形态功能,对lncRNA领域和相分离领域的深入研究具有重大意义。
 
中国科学院分子细胞科学卓越创新中心(生物化学与细胞生物学研究所)陈玲玲研究组博士研究生吴曼许光和刘珈泉研究组博士研究生韩冲为该论文的共同第一作者,陈玲玲研究员、刘珈泉研究员为该论文的共同通讯作者。这项工作得到了中国科学院上海营养与健康研究所杨力研究员大力支持,同时陈玲玲组博士研究生栾鹏飞杨良中杨正虎、单琳,博士后黄友葵,已毕业博士生邢宇航和杨力组博士研究生南芳也提供了大力帮助。
 
原文链接:
https://science.sciencemag.org/content/373/6554/547


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