【學術前沿】改變教科書的發現：Pol II在核仁中的新功能

以下文章來源於BioArt ，作者十一月

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蛋白質是由核糖體合成而由核糖體蛋白質和RNA分子組裝的核糖體主要是在細胞核仁中進行裝配的【1，2】。目前已知的模型認為RNA聚合酶I和III（Pol I和Pol III）是唯一能夠直接調控核糖體RNA（Ribosomal RNA，rRNA）表達的酶。有趣的是，有研究表明在出芽酵母中RNA聚合酶II在rDNA序列中大的基因間隔區域 （Intergenic spacers， IGSs）高度富集，此現象被發現對酵母有害，因為這種富集會在不影響rRNA表達的情況下會驅動衰老的發生【3-5】。但是目前對於細胞核表達的Pol II 是否存在於更高等的生物中以及對核糖體的生物合成具有一定的促進作用還不得而知。

2020年7月15日，加拿大多倫多大學Karim Mekhail研究組在Nature雜誌上發表文章Nucleolar RNA polymerase II drives ribosome biogenesis，發現人體細胞核仁內的RNA聚合酶II透過操縱rRNAs附近的基因驅動其表達，RNA聚合酶II在神經退行性疾病相關的酶senataxin協助產生R-loops發揮“護盾”作用阻止Pol I催化合成的破壞核仁組織和rRNA表達的正義基因間非編碼RNA（Sense intergenic noncoding RNAs， sincRNAs），揭示出Pol II對人類健康和疾病狀況存在的潛在影響。

細胞核仁中亞區域是由多種蛋白透過液-液相分離自我組織形成的，對於高度特化的核糖體組裝過程非常關鍵【2】。哺乳動物心臟細胞核仁纖維狀中心中，用於組裝核糖體最主要的rRNA分子是由Pol I依賴的rDNA重複區域轉錄產生的【4】。在rDNA區域，rRNA基因由多個大的基因間區域IGSs分開。在核仁rRNA基因上，Pol I合成前體rRNAs然後加工形成成熟的28S、18S以及5。8S rRNA分子。在核仁之外，Pol III合成5S rRNA分子然後送到核仁中進行加工。成熟的rRNAs會組裝成40S和60S核糖體亞基然後被運送到細胞質中發揮作用。傳統認識上，核仁Pol I和核質Pol III被視為唯一的哺乳動物RNA聚合酶，直接介導管家基因核糖體的生物發生過程。

為了探究Pol II是否存在於人類的細胞核核仁之中，作者們首先使用超分辨成像與免疫染色相結合的方式進行檢測。作者們使用活躍的Pol II 2號位絲氨酸磷酸化抗體pS2以及5號位絲氨酸磷酸化抗體pS5染色後發現，在核仁蛋白NPM標記的核仁範圍內，活躍的Pol II磷酸化抗體在呈現點狀分佈，並且透過ChIP實驗作者們進一步發現Pol II pS2以及pS5抗體富集在rDNA區域尤其是IGS28和IGS38區域（圖1）。作者們還發現，rDNA位點同時存在Pol I和Pol II。

圖1 RNA聚合酶II以點狀分佈在細胞核仁內並聚集在rDNA區域

為了探究rRNA的生物合成是否會被Pol II擾動所影響，作者們對細胞進行了Pol II抑制劑處理，發現Pol II的抑制會完全消除前體rRNA的加工。因此，Pol II可能會透過與IGSs的結合直接支援核仁rRNA的表達。在不同的細胞系中，作者們發現抑制Pol I之後IGS非編碼RNA的表達量降低，但是令人吃驚的是在抑制Pol II之後IGS非編碼RNA被明顯的誘導轉錄。但是同時抑制Pol I和Pol II的情況下會完全消除對於IGS非編碼RNA的誘導。這些結果說明，Pol II會抵消Pol I依賴的IGS非編碼RNA的合成。透過對IGSs鏈特異性轉錄本分析，作者們分別鑑定了由Pol I和Pol II轉錄的正義鏈基因間非編碼sincRNAs和反義基因間非編碼RNAs （Antisense intergenic ncRNAs， asincRNAs）。

先前的研究表明，核仁蛋白NPM透過液-液相分離協助核仁的組裝，並且此過程對於rRNA的加工是必須的【2】。Pol II的抑制會造成NPM相分離現象消失，同時會在完全彌散之前在核質區域形成皺褶小體（Ruffled bodies）。在脅迫存在的情況下，細胞中會形成核仁澱粉樣小體。作者們發現環境脅迫會抑制asincRNA的水平同時促進sincRNA依賴的核仁重塑過程。sincRNA在體外可以誘導液滴形成，而在體內可以促進液滴形成以及隨後向固體類似澱粉樣小體的轉變。因此，sincRNA的累積會驅動核仁混亂。而Pol II作用正是抑制不同的Pol I依賴的sincRNAs的表達，從而阻止脅迫依賴的核仁相分離，維持內源核仁凝聚物的在rRNA生物合成中的功能。

那麼Pol II是透過什麼機制在核仁中發揮作用的呢？核仁中富集存在R-loops，R-loops是包含一個DNA-RNA雜交鏈和一個單鏈的DNA的核酸三鏈結構【6】。因此，作者們認為R-loop的水平可能會對Pol I與Pol II之間的相互協作存在一定的功能。作者們透過DNA-RNA雜交鏈免疫染色以及重組DNA-RNA雜交鏈抑制因子RNaseH1的實驗發現R-loops的確會作為Pol II抑制sincRNA的重要調節因子發揮作用。

揭開Pol II對於sincRNA的抑制機制後，作者們希望鑑定得到在核仁中Pol II的調控因子。Senataxin（SETX）是人體中神經退行性疾病相關的解旋酶【7】。先前關於SETX在酵母中轉錄調節作用的研究給了作者們一些啟示，作者們發現SETX富集在人類細胞IGSs區域上，並且與Pol II共定位。SETX的敲除會阻止Pol II的裝載為IGSs提供的保護作用。在腫瘤細胞中，sincRNAs會造成核仁的瓦解，敲低sincRNA後核仁解體和rRNA合成缺陷的問題就會被克服。這些結果也說明sincRNA在腫瘤細胞中並造成了核仁形態的異常。R-loops的增加可能會代償sincRNA水平增加帶來的影響。

圖2 工作模型

總的來說，Mekhail研究組發現在哺乳動物細胞核仁中的Pol II透過反義鏈轉錄產生R-loop保護rDNA IGSs位點從而阻礙Pol I依賴的正義鏈基因間非編碼RNA轉錄本對於核仁rRNA表達等正常功能的損傷（圖2）。未來的工作將會揭開sincRNAs以及核仁解體在癌症中作為生物標記物的潛能以及在腫瘤中的表現。該工作為RNA聚合酶II的功能進行了新的定義，對教科書中Pol II作為催化合成mRNA的功能進行了重要補充，Pol II作為核糖體生物合成的新調控因子將在人類健康與疾病中發揮廣泛的作用。

原文連結：

https：//doi。org/10。1038/s41586-020-2497-0

製版人：十一

參考文獻

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1980-2020

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