上海生科院发现长非编码 RNA 对细胞核仁功能的重要调控机制

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上海生科院发现长非编码 RNA 对细胞核仁功能的重要调控机制
8 x, s4 y: f& a# S# j, u+ e  N来源:上海生命科学研究院 / 作者: / 2017-05-172 J0 s0 k% c2 V& C/ A* i6 ]
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图注：SLERT 的加工产生以及其与 DDX21 环、RNA 聚合酶 Pol I 的相互作用机制% N1 p0 ]! G8 j9 x) x
5 月 5 日，国际学术期刊《细胞》（Cell）杂志发表了中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所陈玲玲研究组关于长非编码 RNA 的最新研究成果：SLERT regulates DDX21-rings associated with Pol I transcription，该成果揭示了长非编码 RNA SLERT 在细胞核仁功能和 RNA 聚合酶 I (Pol I) 转录过程中的重要作用机制。* |3 b$ b$ q& B: \. O
人体细胞中含有约 400 个拷贝的核糖体 DNA (rDNA) 序列，分布于五条染色体上，这些含有 rDNA 序列的区域被称为核仁组织区 (nucleolar organizing region, NOR)。核仁围绕 NOR 形成，是 RNA 聚合酶 I 转录核糖体 RNA (rRNA) 以及 rRNA 加工的重要场所。rRNA 转录失调与疾病发生密切关联。rRNA 转录不足意味着核糖体生成障碍，这将导致骨髓衰竭性贫血；而 rRNA 转录过多则易引发多种癌症。由于 rDNA 序列具有高度重复性，因而这些序列上非常相似的 rDNA 的差异表达如何实现和相关 Pol I 转录调控机制等仍然未知。　　经典的长非编码 RNA 和 mRNA 结构相似，含有 5'端帽子及 3' 端多聚腺苷酸尾巴结构，广泛参与各种重要生命活动的调控。此外，近期陈玲玲研究组和国际上其他研究人员相继发现哺乳动物细胞内还存在一系列具有特殊结构的长非编码 RNA 分子家族，例如具有小核仁 RNA (snoRNA) 特殊结构的 lncRNAs 和环形 RNA 等，并具有重要调控功能。
3 i+ b$ U+ b. R2 F该研究通过前期创建的不含 poly(A) 尾 RNA 的全转录组测序和分析，发现了一条来源于人蛋白编码基因 TBRG4 内含子区域的全新 lncRNA，其分子两端含有 snoRNA 结构，并促进核糖体 RNA 前体 (pre-rRNA) 的转录，因此将之命名为 SLERT (snoRNA-ended lncRNA enhances pre-ribosomal RNA transcription)。研究发现，SLERT 来自于 tbrg4 pre-mRNA 的可变剪切，定位于细胞核仁中 (如图所示)。利用 CRISPR/CAS9 技术对 SLERT 进行精确敲除，研究人员发现 SLERT 的缺失导致了 Pol I 转录活性的降低。进一步研究发现，SLERT 可以与 RNA 解旋酶 DDX21 结合。研究人员通过采用结构照明显微技术 (Structured Illumination Microscopy, SIM) 对 DDX21 在细胞核仁中的定位进行了详尽细致的观察，首次发现了 DDX21 在细胞核仁中围绕 Pol I 复合体，形成直径约为 400nm 的环状结构 (如图所示)；有意思的是，这一环状结构的形成与 Pol I 转录偶联并抑制 Pol 转录。深入的研究表明，SLERT 与 DDX21 的结合可以改变 DDX21 的蛋白构象，从而调整了 DDX21 环在细胞核仁中的规则排布，最终通过解除 DDX21 环对 Pol I 的抑制作用来起到正调控 Pol I 转录的功能。值得一提的是，实验人员还发现 SLERT 的敲除可以抑制小鼠的体外成瘤作用，该发现也为针对 pre-rRNA 转录的肿瘤靶向治疗提供了新的靶标。* l5 |! b5 }: u0 f( ?
这一研究首次在人类细胞中发现了可以调控 Pol I 转录的长非编码 RNA，并阐释了此 RNA 与众不同的功能，拓展了长非编码 RNA 的作用机制。该研究通过多种实验手段，阐析了 rDNA、DDX21 环、RNA 聚合酶 I、SLERT 以及 pre-rRNA 相互的分子机制，揭示了 DDX21 环的大小对于 Pol I 转录的调控机制 (如图所示) 以及 SLERT 对 DDX21 环的控制作用，提出了一种通过 SLERT－DDX21 环对 Pol I 转录调控并进而控制 rDNA 的差异表达的机制。该工作以崭新的视角揭示了 Pol I 转录的新机制，也为进一步研究核仁结构及功能提供了新方向。
7 g7 i' m. v7 y* m% g该工作在研究员陈玲玲的指导下，主要由生化与细胞所博士研究生邢宇航、姚润文和张杨共同完成。该研究还得到中科院－马普计算生物学研究所研究员杨力的大力帮助，以及植物生理生态研究所细胞分析技术平台、生化与细胞所细胞分析技术平台和动物实验技术平台的大力支持。经费支持来自科技部、基金委和中科院。
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