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| 復(fù)旦大學(xué)、浙江大學(xué)Nature最新發(fā)文：轉(zhuǎn)錄與基因組穩(wěn)定性“雙重質(zhì)控”新機制 |
| [ 發(fā)布日期：2023-8-11 9:49:00 閱讀次數(shù)：515 ] |
高等生物中，由RNA聚合酶II (Pol II)介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄是一個高度動態(tài)的過程，包括了轉(zhuǎn)錄起始、啟動子近端暫停、延伸和終止等步驟。完成轉(zhuǎn)錄起始的Pol II會在轉(zhuǎn)錄起始位點 (TSSs) 下游200 bp的窗口內(nèi)發(fā)生短暫暫停，并面臨兩種命運選擇——走向有效延伸(productive elongation)或者在啟動子附近發(fā)生轉(zhuǎn)錄早期終止（promoter-proximal premature termination）。其中，前者由蛋白激酶復(fù)合物P-TEFb調(diào)控，它能有效促進基因的轉(zhuǎn)錄激活；后者由包含磷酸酶活性的INTAC復(fù)合物調(diào)控，會導(dǎo)致該輪轉(zhuǎn)錄過程的提前結(jié)束。因此，轉(zhuǎn)錄機器在啟動子區(qū)域的命運抉擇，被認為是高等生物中基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的核心步驟之一，也是轉(zhuǎn)錄精準調(diào)控的關(guān)鍵質(zhì)控環(huán)節(jié)。然而，相比于人們對P-TEFb介導(dǎo)的有效延伸的充分認知，INTAC介導(dǎo)轉(zhuǎn)錄早期終止的調(diào)控機制仍存在很多未解之謎（1,2）。
基因轉(zhuǎn)錄過程中產(chǎn)生的新生RNA（nascent RNA）可以與打開的雙鏈DNA中的模板鏈發(fā)生堿基互補配對，形成RNA:DNA雜交鏈。RNA:DNA雜交鏈與未配對的單鏈DNA（single-strand DNA, ssDNA）所形成的三鏈核酸結(jié)構(gòu)被稱為R-loop。R-loops結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，通常富集于Pol II發(fā)生較高水平暫停的啟動子區(qū)域以及活躍表達的基因上。已有研究表明，R-loop的異常累積會對基因組穩(wěn)定性造成重大威脅。一方面，R-loop中暴露的ssDNA極易受到誘變劑和核酸酶的攻擊；另一方面，R-loop會阻礙復(fù)制叉前行，誘發(fā)轉(zhuǎn)錄與復(fù)制沖突。因此，R-loop水平的精準調(diào)控也是維持基因組穩(wěn)定性的重要質(zhì)控環(huán)節(jié)。然而，作為轉(zhuǎn)錄過程中廣泛產(chǎn)生的副產(chǎn)物，人們對于基因轉(zhuǎn)錄機器如何調(diào)控R-loop水平和維持基因組穩(wěn)定性的機制并不清楚（3,4）。
2023年8月9日，復(fù)旦大學(xué)生物醫(yī)學(xué)研究院陳飛課題組與浙江大學(xué)陸華松課題組合作，在Nature期刊以長文形式發(fā)表了文章R-loop dependent promoter-proximal termination ensures genome stability(《R-loop依賴的啟動子近端轉(zhuǎn)錄早期終止維持基因組穩(wěn)定性》)。該研究首次發(fā)現(xiàn)了INTAC復(fù)合物與單鏈DNA識別復(fù)合物SOSS穩(wěn)定結(jié)合并形成SOSS-INTAC復(fù)合物；該復(fù)合物以凝聚體的形式通過調(diào)控細胞內(nèi)R-loop的水平維持基因組穩(wěn)定性。
研究者在分析INTAC的蛋白互作質(zhì)譜結(jié)果時發(fā)現(xiàn)，INTAC與一個單鏈DNA識別復(fù)合物SOSS（Sensor of Single-Strand DNA）存在非常強的相互作用。SOSS在之前的研究中被發(fā)現(xiàn)主要在DNA damage repair中起作用。研究者通過一系列體內(nèi)外的生物化學(xué)以及基因組學(xué)等實驗手段證明了SOSS-INTAC復(fù)合物在染色質(zhì)上的穩(wěn)定存在。
進一步的研究發(fā)現(xiàn)，SOSS-INTAC復(fù)合物主要結(jié)合在基因的啟動子區(qū)域。SOSS中的ssDNA識別蛋白會誘導(dǎo)SOSS-INTAC與ssDNA結(jié)合，并促進SOSS-INTAC復(fù)合物在染色質(zhì)上的招募及發(fā)揮轉(zhuǎn)錄早期終止的功能。機制研究表明，SOSS-INTAC在染色質(zhì)上的結(jié)合依賴于R-loop結(jié)構(gòu)中的ssDNA。識別R-loops之后，SOSS-INTAC通過其RNA核酸內(nèi)切酶作用誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄早期終止，同時協(xié)同RNA核酸外切酶exosome和XRN2，防止R-loops的過度積累，從而實現(xiàn)維持基因組穩(wěn)定性的功能。最后，研究者還發(fā)現(xiàn)SOSS-INTAC在細胞內(nèi)以生物大分子凝聚體的形式存在，并且這種凝聚體被破壞后會顯著影響SOSS-INTAC調(diào)控R-loops和基因組穩(wěn)定性的能力。
綜上所述，該研究論文首次鑒定了一個基因轉(zhuǎn)錄和基因組穩(wěn)定性調(diào)控復(fù)合物SOSS-INTAC，并揭示了其在基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控和基因組穩(wěn)定性維持中的“雙重質(zhì)控”功能，是基因轉(zhuǎn)錄與基因組穩(wěn)定性交叉研究領(lǐng)域的又一突破性發(fā)現(xiàn)。
值得一提的是，自2020年發(fā)現(xiàn)INTAC復(fù)合物（Science，2020）以來，陳飛課題組首次報道了INTAC通過其磷酸酶底物SPT5調(diào)控轉(zhuǎn)錄進程的機制（Mol Cell，2021），并發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)錄延伸因子PAF1通過INTAC調(diào)控轉(zhuǎn)錄暫停和釋放的方式（Sci Adv，2022）。近期，該團隊進一步揭示了INTAC復(fù)合物的RNA核酸內(nèi)切酶和磷酸酶兩個功能模塊在轉(zhuǎn)錄調(diào)控中扮演了不同的角色（Mol Cell，2023）。本項研究的發(fā)現(xiàn)，進一步把INTAC復(fù)合物及其介導(dǎo)的基因轉(zhuǎn)錄早期終止的功能拓展到了基因組穩(wěn)定性調(diào)控的領(lǐng)域。
復(fù)旦大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院博士后徐從玲（即將入職同濟大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，獨立PI），浙江大學(xué)生命科學(xué)研究院20級直博生李呈瑜，復(fù)旦大學(xué)生物醫(yī)學(xué)研究院原博士后陳吉偉（現(xiàn)為復(fù)旦大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院助理研究員），復(fù)旦大學(xué)生物醫(yī)學(xué)研究院21級直博生熊燕為本研究共同第一作者。復(fù)旦大學(xué)陳飛研究員和浙江大學(xué)陸華松研究員為共同通訊作者。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06515-5
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