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近日，北京大學化學與分子工程學院賈桂芳課題組與英國約翰英納斯中心Caroline Dean課題組合作，在Nature Communication雜志在線發(fā)表題為“R-loop resolution promotes co-transcriptional chromatin silencing”的研究論文。此項研究揭示了RNA結合蛋白FCA在m6A修飾的正反饋作用下，通過共轉錄RNA加工過程調節(jié)R環(huán)（R-Loop）的穩(wěn)定性，并觸發(fā)染色質沉默的新機制。
基因如何在恰當?shù)臅r間和組織器官中正確表達是現(xiàn)代生物學的核心問題，RNA介導的染色質沉默在其中起到了關鍵作用。然而囿于研究手段，到目前為止，人們對這一過程具體機制的了解還很有限。在模式植物擬南芥中，抑花基因FLC是研究RNA介導的染色質沉默的經(jīng)典模型。FLC具有一簇天然反義轉錄本，稱為COOLAIR。在早先的研究中，人們發(fā)現(xiàn)一系列RNA結合蛋白（如FCA，FPA，FLK等），3’末端加工因子（如FY，CstFs等），RNA剪接因子（如PRP8等）都促進了COOLAIR的近端聚腺苷酸化。而在COOLAIR的近端聚腺苷酸化過程中，一系列染色質修飾相關蛋白（如FLD，LD，SDG26等）被招募至FLC基因座位上，改變了FLC基因座位上染色質的狀態(tài)，降低了FLC的表達，最終促進了擬南芥的成花轉化。
另一方面，有研究顯示R環(huán)與某些染色質沉默的標志性修飾相關聯(lián)，而在之前的工作中，Caroline Dean課題組曾發(fā)現(xiàn)在FLC基因的3’端存在著由COOLAIR轉錄導致的R環(huán)，單鏈DNA結合蛋白NDX可以穩(wěn)定該R環(huán)的存在，并影響FLC及COOLAIR的表達（Sun et al. 2013）。然而這一R環(huán)結構是否參與RNA介導的染色質沉默還有待進一步探索。
為此，該研究首先通過fca與ndx突變體的遺傳互作，發(fā)現(xiàn)NDX對FLC基因的沉默作用依賴FCA。NDX穩(wěn)定R環(huán)結構可以促進FCA蛋白與新生COOLAIR轉錄本的結合，并觸發(fā)染色質修飾狀態(tài)的改變。在此過程中，FCA通過招募3’末端加工因子FY，完成COOLAIR的近端聚腺苷酸化，并促進R環(huán)結構的消解。
有趣的是，在對FCA相互作用蛋白的鑒定中，不僅發(fā)現(xiàn)了FY等3’末端加工因子，還發(fā)現(xiàn)了m6A甲基轉移酶復合物的組分MTA、MTB以及FIP37，且這種相互作用是不依賴RNA。遺傳分析顯示，MTA的缺失嚴重抑制了FCA的功能，導致FLC的高表達及開花的推遲。FCA雖然不直接結合m6A修飾，但體內體外實驗均顯示，m6A增強了FCA對新生COOLAIR轉錄本的結合，并影響了FCA核內凝聚體相分離的形成。同時，FCA又通過相分離作用促進了m6A修飾的生成，形成了一個正反饋的循環(huán)。
進一步研究表明，在m6A修飾的調節(jié)下，FCA通過共轉錄RNA加工過程調節(jié)R環(huán)穩(wěn)定性，對于其作用的新生RNA底物是一個普遍的機制。而當轉錄本延伸受到局部染色質環(huán)境的影響，出現(xiàn)非規(guī)范的（Non-canonical）聚腺苷酸化時，3’末端加工因子便會招募一系列染色質修飾相關蛋白，導致該基因座位的染色質沉默，擬南芥的COOLAIR/FLC便屬于這一情形。這項工作為R環(huán)結構，RNA末端加工因子，m6A修飾的動態(tài)相互作用并觸發(fā)染色質沉默的機制提供了新的見解。
約翰英納斯中心Caroline Dean課題組的許驄瑤博士、吳柘博士（現(xiàn)為南方科技大學生物系研究員），北京大學化學與分子工程學院賈桂芳課題組的段洪超博士為本文共同第一作者，賈桂芳研究員和Caroline Dean教授為本文共同通訊作者，Caroline Dean課題組的方曉峰博士（現(xiàn)為清華大學生命科學學院研究員）對本文亦有貢獻。該工作得到了國家自然科學基金委、中國博士后科學基金會以及北京分子科學國家研究中心的資助。
全文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-22083-6
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