Science:分析植物中独特的双链RNA合成机制

资料来源：分子植物卓越中心，2021年12月-28 08:10

转座子最早是由美国遗传学家芭芭拉麦克林托克在玉米中发现的，广泛分布于细菌、病毒和真核生物的基因组中。转座子类似于内源性病毒，可以在宿主基因组中“复制粘贴”自己的DNA，达到自我繁殖的目的。活跃的转座子对基因组的稳定性构成严重威胁，高等生物通过甲基化修饰使转座子DNA下沉。

转座子最早是由美国科学家芭芭拉麦克林托克在玉米中发现的，广泛分布于病毒和真核生物的基因组中。转座子类似于内源性病毒，可以在宿主基因组中“复制粘贴”自己的DNA，达到自我繁殖的目的。活跃的转座子对基因组的稳定性构成严重威胁。高等生物通过甲基化转座子DNA并使其沉默来保持基因组的稳定性。

RNA导向的DNA甲基化(RdDM)途径是高等植物基因组甲基化的重要途径。在这一途径中，植物特有的两种核糖核酸聚合酶(Pol和Pol)起着核心作用。Pol IV与RDR2合作生产小干扰RNA的dsRNA前体，经加工形成24个碱基的小干扰RNA。然后这些小干扰RNA在Argonaut蛋白的帮助下与RNA聚合酶Pol V产生的支架RNA配对，从而招募DNA甲基转移酶(DRM2)完成DNA甲基化。

Pol IV和Pol V作为真核生物的第四和第五种多亚基RNA聚合酶，在基因转录区域、转录起始、延伸和终止机制以及转录调控等方面与Pol I、Pol II和Pol III有很大不同。Pol IV转录的独特之处在于Pol IV可以与RDR2形成复合物，以双链基因组DNA为模板直接催化dsRNA的合成。虽然Pol IV和Pol V植物是在2005年发现的，但其三维结构尚未见报道，这影响了Pol IV和Pol V的进一步研究。

近日，浙江大学张宇研究团队、王家卫研究团队、冯玉研究团队首次合作解析植物Pol IV的结构，揭示了植物Pol IV-RDR2的两种RNA聚合酶组装而成的独特复杂结构，提出Pol IV-RDR2可以通过底物内转移机制合成双链RNA。

本研究克服了制备低丰度超大蛋白复合物的瓶颈，通过拟南芥悬浮细胞系统纯化内源性Pol IV-RDR2复合物，然后利用冷冻电镜单粒子重构技术分析Pol IV-RDR2全酶和Pol IV-RDR2转录延伸复合物的冷冻电镜结构，结合生化和化学实验进一步阐明Pol IV和RDR2协同作用的分子机制。

发现三维结构支持Pol IV从Pol II演化而来。然而，亿万年的演化使Pol IV的催化中心和外部结构单元与Pol II不同。首先，Pol IV蛋白的外部结构单元不能与TFIIB、TFIIE、TFIIF等Pol II特异性转录起始因子相互作用，从而保证Pol IV和Pol II的转录相互独立。其次，Pol IV催化中心的核心成分发生了变化，提示Pol IV的转录过程容易停滞和倒退。

这项研究最有意义的发现是Pol IV和RDR2形成稳定的复合物，这两种聚合酶的催化中心通过内部通道连接。Pol IV以双链DNA为模板合成的单链RNA通过这个内部通道直接传递给RDR2，这样RDR2就可以以这个单链RNA为模板输出双链RNA。据此，研究人员提出了Pol IV-RDR2复合物可以通过RNA内部传递的机制，以双链DNA为模板合成双链RNA的模型。起初Pol IV在基因组DNA上有所进展，以双链DNA为模板合成一定长度的单链RNA。在转录延伸过程中，由于染色体的多重障碍和Pol IV的固有性质，Pol IV的转录停止并倒退。在Pol IV的退行过程中，Pol IV合成的单链RNA从内部通道进入RDR2的催化中心，再被RDR2作为模板合成双链RNA。在合成双链RNA的过程中，RDR2会促使Pol IV合成的单链RNA逐渐从Pol IV的催化中心解离。最后，RDR2完成双链RNA的合成和释放。上述特殊机制可以保证Pol IV合成的单链RNA可以直接传递给RDR2，防止单链RNA的降解。另外，经过一轮双链RNA合成后，Pol IV-RDR2回到转录起点，可以开始下一轮双链RNA合成，从而高效实现双链RNA的扩增。

该研究首次揭示了真核生物中第四种多亚基RNA聚合酶的三维结构，阐明了Pol IV和RDR2两种RNA聚合酶协同转录的独特分子机制，回答了RdDM途径中如何合成双链RNA的科学问题。结果该研究拓展了真核RNA聚合酶结构和功能的多样性，加深了对植物表观机制的理解。(100yiyao.com)

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