周宇/付向東合作揭示RNA可變多聚腺苷酸化漸進(jìn)式加工新模式
2022年1月10日，武漢大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、病毒學(xué)國家重點實驗室周宇教授研究組和加州大學(xué)圣地亞哥分校付向東教授合作在知名學(xué)術(shù)期刊-Nature Structural & Molecular Biology在線發(fā)表題為“Alternative polyadenylation by sequential activation of distal and proximal PolyA sites”的研究論文。該研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞中的許多基因在遠(yuǎn)端polyA位點加工產(chǎn)生的長3′UTR轉(zhuǎn)錄本會滯留于染色質(zhì)或核基質(zhì)（nuclear matrix），這些已加尾的轉(zhuǎn)錄本可進(jìn)一步在近端polyA位點加工，產(chǎn)生短3′UTR轉(zhuǎn)錄本釋放到細(xì)胞質(zhì)，他們把這種兩步漸進(jìn)式加工的新模式稱為“sequential polyadenylation”。
哺乳動物中超過70%的蛋白編碼基因具有多個polyA位點，不同polyA位點的選擇被稱為可變多聚腺苷酸化（Alternative polyadenylation，APA）【1】。APA過程的失調(diào)與很多疾病相關(guān)聯(lián)【2】?，F(xiàn)有理論認(rèn)為，APA發(fā)生過程中近端polyA位點和遠(yuǎn)端polyA位點的加工都是共轉(zhuǎn)錄發(fā)生的，二者相互獨立【1,3】。
在研究RNA核滯留問題的過程中，作者發(fā)現(xiàn)未完全剪接的polyA+ RNA會滯留于染色質(zhì)或核基質(zhì)，他們同時也觀察到許多基因選擇遠(yuǎn)端polyA位點產(chǎn)生的長3′UTR轉(zhuǎn)錄本也會滯留于染色質(zhì)或核基質(zhì)。為了探究這些轉(zhuǎn)錄本滯留于核基質(zhì)的原因，他們系統(tǒng)地鑒定了與核基質(zhì)polyA+ RNA結(jié)合的RNA結(jié)合蛋白（RBPs），這些蛋白包括很多剪接因子，這是轉(zhuǎn)錄后剪接預(yù)期的一個結(jié)果。然而，出乎預(yù)料的是許多polyadenylation加工的因子也被鑒定到，這些因子從理論上來說，應(yīng)該在完成polyA位點加工之后即與polyA+ RNA分離。由此推測，這些polyadenylation因子可能結(jié)合到長3′UTR轉(zhuǎn)錄本的近端polyA位點，并可能進(jìn)一步加工而產(chǎn)生短3′UTR轉(zhuǎn)錄本。為了證明這一猜想，作者首先比較了近端和遠(yuǎn)端polyA位點的強弱，結(jié)果發(fā)現(xiàn)和以前報道一樣，遠(yuǎn)端polyA位點要強于近端polyA位點。因此，從理論上說遠(yuǎn)端polyA位點可能會被優(yōu)先加工。同時他們還比較了新生RNA和穩(wěn)定狀態(tài)下總RNA在近端和遠(yuǎn)端polyA位點的使用比率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)大部分基因的新生RNA，其遠(yuǎn)端polyA位點使用比率確實要比總RNA的比率顯著增高，而且這一現(xiàn)象不是由于長3′UTR轉(zhuǎn)錄本更容易降解造成的，進(jìn)一步佐證了兩步加工的可能性。
為進(jìn)一步獲得直接的證據(jù)，作者考慮到在此兩步加工模型中，長3′UTR轉(zhuǎn)錄本應(yīng)該是短3′UTR轉(zhuǎn)錄本加工的中間產(chǎn)物，它的降解應(yīng)該也會導(dǎo)致短3′UTR轉(zhuǎn)錄本的同步減少。由此作者設(shè)計了一組核酶實驗，把核酶插入到長3′UTR轉(zhuǎn)錄本那段特有的3′UTR區(qū)域來引發(fā)長3′UTR轉(zhuǎn)錄本的降解，結(jié)果正如預(yù)期一樣，短3′UTR轉(zhuǎn)錄本表達(dá)量也顯著下降，說明長3′UTR轉(zhuǎn)錄本確實可作為中間底物。更重要的是，作者開發(fā)了一個新的Cleave-seq方法，在抑制5′-3′核酸酶外切酶活性的條件下，可檢測到在從長3′UTR轉(zhuǎn)錄本加工成短3′UTR轉(zhuǎn)錄本過程中所產(chǎn)生的3′端產(chǎn)物。
圖1. Sequential polyadenylation模型
基于以上證據(jù)，作者提出了APA漸進(jìn)式加工的新模式“sequential polyadenylation”（圖1）。進(jìn)一步的實驗發(fā)現(xiàn)“sequential polyadenylation”可以一種“空間換時間”的間接方式來調(diào)控內(nèi)含子的剪接。作者推測“sequential polyadenylation”可與不同的轉(zhuǎn)錄后加工事件相偶聯(lián)，可能是一種轉(zhuǎn)錄后調(diào)控基因表達(dá)的多用途策略。
周宇教授和付向東教授為該研究論文的共同通訊作者，武漢大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院唐鵬博士后和楊陽博士為該論文的共同第一作者，李廣楠、黃麗等研究生參與了研究；該研究工作得到了武漢大學(xué)生科院徐永鎮(zhèn)教授、中科院水生所羅大極研究員的幫助和支持。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41594-021-00709-z
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