DNA損傷常導(dǎo)致RNA聚合酶II (Pol II) 蛋白的降解，化學(xué)物質(zhì)抑制轉(zhuǎn)錄、UV照射，以及血清饑餓也可引發(fā)該蛋白的降解。然而，Pol II蛋白水平下降后，其具體的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)變化和相關(guān)機(jī)制仍不清楚。季雄團(tuán)隊(duì)早前利用蛋白質(zhì)瞬時(shí)降解系統(tǒng)，研究了Pol II的全部12個(gè)亞基的具體功能分工。結(jié)果發(fā)現(xiàn)大多數(shù)亞基的降解會導(dǎo)致全局的基因表達(dá)下調(diào)，但意外地觀察到一小部分基因表達(dá)上調(diào)的情況。本研究在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步探討了Pol II大亞基蛋白的降解導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)基因的特征，闡明了這些基因表達(dá)上調(diào)的原因。此外，本研究還關(guān)注外界環(huán)境刺激條件下引起Pol II降解的情形，揭示類似的調(diào)控機(jī)制也可能會發(fā)生。

論文發(fā)表封面

2024年6月6日 ，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心季雄課題組在Nucleic Acids Research發(fā)表了題為“Increased transcriptional elongation and RNA stability of GPCR ligand binding genes unveiled via RNA polymerase II degradation”的研究論文。本研究的結(jié)果顯示Pol II的大亞基RPB1蛋白降解會導(dǎo)致全局性的基因表達(dá)下調(diào)，但與G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）配體結(jié)合相關(guān)的一小部分基因卻會上調(diào)表達(dá)，原因是這些基因的轉(zhuǎn)錄延伸和mRNA穩(wěn)定性增加。在外部環(huán)境刺激引起Pol II的大亞基降解后，這一現(xiàn)象同樣被觀察到，表明細(xì)胞通過提高GPCR配體結(jié)合相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄延伸和RNA穩(wěn)定性來應(yīng)對細(xì)胞中轉(zhuǎn)錄全局下調(diào)引發(fā)的反饋機(jī)制。

圖1. 瞬時(shí)降解 Pol II 的 RPB1，盡管活躍基因的表達(dá)全局下調(diào)，部分參與GPCR配體結(jié)合相關(guān)基因反而表達(dá)增加

外界環(huán)境刺激條件下，通常會造成Pol II 大亞基的蛋白不穩(wěn)定，為了深入研究相關(guān)基因調(diào)控機(jī)制。本研究首先利用生長素誘導(dǎo)的蛋白瞬時(shí)降解系統(tǒng)對Pol II的大亞基RPB1進(jìn)行降解。結(jié)果表明，RPB1降解導(dǎo)致了預(yù)期的全局轉(zhuǎn)錄抑制以及RNA代謝因子和染色質(zhì)調(diào)控因子在染色質(zhì)上的結(jié)合下降。令人驚訝的是， 少部分基因的表達(dá)呈現(xiàn)上調(diào)。多種轉(zhuǎn)錄組實(shí)驗(yàn)方法的結(jié)果證實(shí)，這些基因在成熟RNA和新生RNA水平均表現(xiàn)出明顯的表達(dá)上調(diào)。這一現(xiàn)象在RPB2和RPB6降解后沒有觀測到，但是在除了RPB4和RPB12外的亞基降解后都觀測到了類似現(xiàn)象。

Pol II 降解后上調(diào)基因特征分析發(fā)現(xiàn)Polycomb 結(jié)合的、較少轉(zhuǎn)錄暫停的短基因表達(dá)增加。這些上調(diào)的基因在參與 GPCR 配體結(jié)合的功能類別中富集。接下來，研究發(fā)現(xiàn)，在RPB1降解后，盡管上調(diào)基因上總的Pol II占位下降，但pSer2形式的RPB1（轉(zhuǎn)錄延伸標(biāo)志）的占位卻增加了。同時(shí)，上調(diào)基因的RNA穩(wěn)定性也顯著增加。這表明細(xì)胞通過提高這些基因的轉(zhuǎn)錄延伸和RNA穩(wěn)定性，來應(yīng)對RPB1降解所帶來的應(yīng)激反應(yīng)。之后，研究團(tuán)隊(duì)在不同的應(yīng)激條件下，如α-鵝膏蕈堿或紫外線處理，同樣發(fā)現(xiàn)RPB1降解導(dǎo)致全局基因轉(zhuǎn)錄抑制，同時(shí)也激活了一些特定的基因。通過對這些基因的功能富集分析，發(fā)現(xiàn)它們同樣主要參與GPCR配體結(jié)合和環(huán)境刺激響應(yīng)，因而這些發(fā)現(xiàn)對于理解細(xì)胞在應(yīng)對外部壓力時(shí)的基因調(diào)控機(jī)制具有重要意義。

本研究還發(fā)現(xiàn)，RPB1降解后，H3K27me3占位減少而H3K27me3的“eraser”，KDM6B占位增加。RPB2降解卻導(dǎo)致H3K9me3和H3K9me3的“writer”，SUV39H1占位減少。這表明RPB1和RPB2在染色質(zhì)修飾和基因激活方面具有不同的作用機(jī)制。但是這些表觀修飾變化，以及轉(zhuǎn)錄延伸速度、轉(zhuǎn)錄終止、RNA剪接和RNA 3’加工和RNA出核轉(zhuǎn)運(yùn)等，都不能解釋基因表達(dá)的上調(diào)現(xiàn)象。

總體而言，本研究揭示了在RPB1蛋白降解后，特定基因通過增加轉(zhuǎn)錄延伸和RNA穩(wěn)定性來維持其表達(dá)，這為理解細(xì)胞在面對轉(zhuǎn)錄抑制時(shí)的應(yīng)對機(jī)制提供了新視角。特別是，GPCR配體結(jié)合基因的上調(diào)可能代表了一種細(xì)胞適應(yīng)轉(zhuǎn)錄機(jī)器受損的應(yīng)激反應(yīng)機(jī)制。此外，本研究中Pol II瞬時(shí)降解后的染色質(zhì)蛋白質(zhì)組變化結(jié)果也為未來研究Pol II偶聯(lián)的RNA、DNA代謝過程，提供了重要線索。

圖2. RPB1在α-鵝膏蕈堿或紫外線處理后降解，導(dǎo)致全局轉(zhuǎn)錄抑制和特定基因上調(diào)，特定基因通過增加轉(zhuǎn)錄延伸和RNA穩(wěn)定性來維持其表達(dá)來應(yīng)對RPB1降解所帶來的應(yīng)激反應(yīng)

季雄和北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，北京大學(xué)核糖核酸北京研究中心 (BEACON) 黃捷博士是該論文的共同通訊作者。北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士研究生包麗君（2021級）、朱峻毅（2021級）是該論文的共同第一作者。該工作得到國家自然科學(xué)基金原創(chuàng)探索項(xiàng)目、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心、啟東創(chuàng)新基金、成都研究院前沿創(chuàng)新基金、細(xì)胞增殖與分化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的資助。感謝北京大學(xué)鳳凰工程多個(gè)儀器平臺對本項(xiàng)目的大力支持。

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3. Huang, J. and Ji, X. (2023) Never a dull enzyme, RNA polymerase II. Transcription, 14, 49—67.

來源：北京大學(xué)