近日，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院沈曉驊和上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院李兵團(tuán)隊(duì)合作，在Nature Chemical Biology（自然?化學(xué)生物學(xué)）發(fā)表Phase separation of RNA-binding protein promotes polymerase binding and transcription（RNA結(jié)合蛋白通過(guò)相分離促進(jìn)RNA聚合酶的結(jié)合和轉(zhuǎn)錄）的研究論文，報(bào)道了RNA結(jié)合蛋白利用其內(nèi)在的結(jié)合RNA和相分離的活性，介導(dǎo)了Pol II在轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)形成轉(zhuǎn)錄聚集體，從而區(qū)室化Pol II在轉(zhuǎn)錄位點(diǎn)的結(jié)合，以及Pol II進(jìn)一步的磷酸化、釋放和轉(zhuǎn)錄延伸。

轉(zhuǎn)錄調(diào)控是細(xì)胞功能和發(fā)育的核心，受到一系列蛋白因子和非編碼元件的精細(xì)調(diào)控。近年來(lái)報(bào)道表明，轉(zhuǎn)錄是一個(gè)液-液相分離的過(guò)程（liquid-liquid phase separation, LLPS）。RNA聚合酶II（RNA polymerase II, Pol II）的招募（recruitment）、起始（initiation）、和釋放-延伸（pausing release and elongation），很可能反映了Pol II相分離聚集體（phase-separated condensates）的行為并其受其影響。有趣的是，轉(zhuǎn)錄以短暫爆發(fā)（burst）的形式發(fā)生并具有內(nèi)在的隨機(jī)性（stochasticity），并且Pol II在染色質(zhì)上的結(jié)合時(shí)間為秒級(jí)別，Pol II由起始向轉(zhuǎn)錄延伸轉(zhuǎn)變的效率極低（~1%）。這些現(xiàn)象表明，存在未知的限速事件調(diào)控Pol II在染色質(zhì)上的行為。

RNA，包括編碼和非編碼RNA，廣泛地結(jié)合到染色質(zhì)上，尤其是在基因啟動(dòng)子和增強(qiáng)子等調(diào)控元件上，反饋調(diào)控轉(zhuǎn)錄并影響染色質(zhì)的空間組織。有報(bào)道RNA可能通過(guò)相分離參與轉(zhuǎn)錄，但是這一假說(shuō)仍然缺少一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，即連接RNA和以 DNA 結(jié)合活性為主的轉(zhuǎn)錄機(jī)器。真核生物轉(zhuǎn)錄與 RNA 加工是同時(shí)發(fā)生的。RNA 結(jié)合蛋白 (RNA-binding protein，RBP) 是貫穿RNA從合成到降解過(guò)程的重要蛋白因子。之前沈曉驊實(shí)驗(yàn)室報(bào)道，參與RNA剪接的U1小核糖核蛋白粒子（U1 snRNP）廣泛調(diào)控非編碼RNA在染色質(zhì)上的富集和移動(dòng)（Yin et al., Nature, 2020）。啟動(dòng)子附近的非編碼和初生RNA招募轉(zhuǎn)錄延伸因子 WDR43（也是核糖體生成因子）到染色質(zhì)，促進(jìn)Pol II釋放和轉(zhuǎn)錄延伸（Bi et al., Molecular Cell, 2019）。然而，RBP與 RNA協(xié)同直接參與轉(zhuǎn)錄調(diào)控，是否是一個(gè)普遍的規(guī)律？具體的生物化學(xué)機(jī)制是什么？這些仍有待證明和揭示。

該文首先通過(guò)定量質(zhì)譜發(fā)現(xiàn)染色質(zhì)組成蛋白(除histone外)一半以上的都是RNA 結(jié)合蛋白，數(shù)百種RBP以RNA和轉(zhuǎn)錄依賴的形式與染色質(zhì)動(dòng)態(tài)地結(jié)合。相比與非染色質(zhì)RBP，染色質(zhì)上的RBP具有更高比例的發(fā)生液-液相分離（LLPS）所需的低復(fù)雜度序列（LCS）和固有無(wú)序區(qū)（IDR）。對(duì)其中部分RBP候選蛋白的研究顯示，它們廣泛結(jié)合基因組調(diào)控元件，一方面在細(xì)胞內(nèi)廣泛結(jié)合Pol II，另一方面可以在體外與Pol II 最大亞基的固有無(wú)序碳末端結(jié)構(gòu)域 (carboxyl terminal domain, CTD)共同相分離。并且，當(dāng)它們被敲低后會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞整體轉(zhuǎn)錄活性的降低。

為探究RBP參與轉(zhuǎn)錄的生化機(jī)制，該文對(duì)PSPC1（paraspecle protein 1）進(jìn)行了體內(nèi)和體外的深入研究。首先，用AID (auxin-induced degradation) 系統(tǒng)誘導(dǎo)PSPC1的快速降解，導(dǎo)致Pol II磷酸化水平和在染色質(zhì)上結(jié)合的整體下降，同時(shí)伴隨著細(xì)胞轉(zhuǎn)錄水平的下降。其次，通過(guò)液滴形成實(shí)驗(yàn)（droplet formation），揭示了它通過(guò)相分離精細(xì)調(diào)控轉(zhuǎn)錄發(fā)生的一系列步驟。RNA上的負(fù)電荷會(huì)將 CTD 從轉(zhuǎn)錄因子的相分離小體中驅(qū)逐出去。然而， PSPC1 結(jié)合RNA時(shí)，不僅可以阻止 RNA對(duì) CTD 的驅(qū)逐，而且利用RNA為多價(jià)分子促進(jìn)PSPC1其自身的相分離，并富集 CTD到轉(zhuǎn)錄相分離聚集體，以及促進(jìn)由CTD激酶（CDKs）介導(dǎo)的CTD磷酸化和釋放。重要的是，體外轉(zhuǎn)錄實(shí)驗(yàn)表明，在轉(zhuǎn)錄全過(guò)程中，包括起始、暫停和延伸，PSPC1穩(wěn)定了Pol II 全酶（holoenzyme）與模板DNA的結(jié)合，并促進(jìn)Pol II轉(zhuǎn)錄活性和RNA產(chǎn)生。值得一提的是，PSPC1在細(xì)胞內(nèi)、外調(diào)控Pol II的活性，主要依賴于其RNA結(jié)合與相分離的能力。這個(gè)特征在諸多染色質(zhì)結(jié)合的RBP上都存在，暗示了RBP與 RNA協(xié)同通過(guò)相分離調(diào)控轉(zhuǎn)錄的機(jī)制很可能普遍存在。這一工作從機(jī)制上為轉(zhuǎn)錄調(diào)控提供了新的見(jiàn)解，拓展了對(duì)多細(xì)胞真核生物基因表達(dá)異質(zhì)性和復(fù)雜性調(diào)控的理解，將開(kāi)啟以RNA為中心的轉(zhuǎn)錄研究的新篇章。

清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院沈曉驊教授與上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院李兵教授為本文的共同通訊作者。清華大學(xué)邵雯博士為本文的第一作者，沈曉驊實(shí)驗(yàn)室已畢業(yè)的畢先駒博士、高博陽(yáng)同學(xué)和上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院的博士生潘奕萱等對(duì)本文做出了重要貢獻(xiàn)。同時(shí)，該研究還得到了中科院生物物理研究所李國(guó)紅課題組、清華大學(xué)鄧海騰課題組、哥倫比亞大學(xué)王建龍課題組的大力支持。

原文鏈接

https://doi.org/10.1038/s41589-021-00904-5

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來(lái)源：清華大學(xué)