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近日，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)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(xiàng)研究揭示了RNA結(jié)合蛋白FCA在m6A修飾的正反饋?zhàn)饔孟?，通過共轉(zhuǎn)錄RNA加工過程調(diào)節(jié)R環(huán)（R-Loop）的穩(wěn)定性，并觸發(fā)染色質(zhì)沉默的新機(jī)制。
基因如何在恰當(dāng)?shù)臅r間和組織器官中正確表達(dá)是現(xiàn)代生物學(xué)的核心問題，RNA介導(dǎo)的染色質(zhì)沉默在其中起到了關(guān)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(jī)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(dǎo)的染色質(zhì)沉默的經(jīng)典模型。FLC具有一簇天然反義轉(zhuǎn)錄本，稱為COOLAIR。在早先的研究中，人們發(fā)現(xiàn)一系列RNA結(jié)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(jìn)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(zhì)修飾相關(guān)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(zhì)的狀態(tài)，降低了FLC的表達(dá)，最終促進(jìn)了擬南芥的成花轉(zhuǎn)化。
另一方面，有研究顯示R環(huán)與某些染色質(zhì)沉默的標(biāo)志性修飾相關(guān)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(zhuǎn)錄導(dǎo)致的R環(huán)，單鏈DNA結(jié)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(dá)（Sun et al. 2013）。然而這一R環(huán)結(jié)構(gòu)是否參與RNA介導(dǎo)的染色質(zhì)沉默還有待進(jìn)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(jié)構(gòu)可以促進(jìn)FCA蛋白與新生COOLAIR轉(zhuǎn)錄本的結(jié)合，并觸發(fā)染色質(zhì)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(jìn)R環(huán)結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)移酶復(fù)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(yán)重抑制了FCA的功能，導(dǎo)致FLC的高表達(dá)及開花的推遲。FCA雖然不直接結(jié)合m6A修飾，但體內(nèi)體外實(shí)驗(yàn)均顯示，m6A增強(qiáng)了FCA對新生COOLAIR轉(zhuǎn)錄本的結(jié)合，并影響了FCA核內(nèi)凝聚體相分離的形成。同時，FCA又通過相分離作用促進(jìn)了m6A修飾的生成，形成了一個正反饋的循環(huán)。
進(jìn)一步研究表明，在m6A修飾的調(diào)節(jié)下，FCA通過共轉(zhuǎn)錄RNA加工過程調(diào)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(jī)制。而當(dāng)轉(zhuǎn)錄本延伸受到局部染色質(zhì)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(zhì)修飾相關(guān)蛋白，導(dǎo)致該基因座位的染色質(zhì)沉默，擬南芥的COOLAIR/FLC便屬于這一情形。這項(xiàng)工作為R環(huán)結(jié)構(gòu)，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(zhì)沉默的機(jī)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(xué)生物系研究員），北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)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(xué)生命科學(xué)學(xué)院研究員）對本文亦有貢獻(xiàn)。該工作得到了國家自然科學(xué)基金委、中國博士后科學(xué)基金會以及北京分子科學(xué)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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