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陈玲玲组Cell首次发现调控RNA聚合酶转录的lncRNA—附专家点评

    早年曾一度被认为是人类基因暗物质的长非编码RNA(简称lncRNA),近年来研究发现其家族中不少成员已被证明广泛参与各种重要生命活动的调控,lncRNA的相关研究也逐渐成为了当今生命科学领域最热门的研究领域之一。

    54日,Cell杂志在线发表了中科院生化与细胞研究所陈玲玲研究组题为“SLERT Regulates DDX21 Rings Associated with Pol I Transcription”的关于lncRNA的最新研究成果,该成果揭示了细胞核仁里长非编码RNA SLERT RNA聚合酶I转录过程中的重要功能和作用机制,这是首次在人类细胞中发现可以调控RNA聚合酶转录的长非编码RNA此外,该成果还一并阐释了此RNA与众不同的新功能,拓展了长非编码RNA的作用机制。有鉴于该成果的重要意义,BioArt有幸特别邀请到了中科院生物物理所长期从事非编码RNA相关研究的薛愿超研究员做精彩点评,薛愿超研究员在评论中称赞陈玲玲课题组的这项工作为应该是非编码RNA研究领域能够写进教科书的发现

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论文解读:

    在哺乳动物基因组序列中,大约90%转录成RNA,而转录产物中只有不到10%具有蛋白编码功能,其余90%以上的转录产物被认为是非编码RNA,目前一般认为转录长度>200nt的非编码RNA被定义为lncRNA1】。根据其来源和特征的不同,lncRNA又能被细分为多种类型,例如lincRNAssno-lncRNAscircRNAs等(下图)【2】。

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人类基因组中存在不同种类的lncRNAs。图片引自:Chen LL. 2016. Linking long noncoding RNA localization and function. Trends Biochem Sci, 41:761-772.

 

    LncRNA起初曾一度被认为是基因组转录的暗物质,是RNA聚合酶II转录的副产物,不具有特别的生物学功能。然而,近年来大量的研究表明,lncRNA的许多成员已被证明广泛参与各种重要生命活动的调控,如染色体剂量补偿、基因印记、表观遗传调控、干细胞维持和分化、疾病发生等。

 

    细胞核仁位于细胞核中,是RNA聚合酶I转录核糖体RNA (rRNA) 以及rRNA加工的重要场所。rRNA转录是将核糖体DNA (rDNA) 转变成rRNA的过程。作为细胞内含量最多的一类RNArRNA的转录失调与疾病发生密切关联,转录不足易导致骨髓衰竭性贫血,转录过多则易引发多种癌症。

 

     陈玲玲研究组运用前期创建的无poly(A)尾巴RNA分离和测序技术发现了一类名为sno-lncRNAs的长非编码RNA3,4,5】,在这项研究中,他们主要发现并研究了一类在人类胚胎干细胞和卵巢癌细胞中高表达的全新sno-lncRNAs——SLERT694nt),这是首次在人类细胞中发现可以调控RNA聚合酶I转录的长非编码RNA。该成果还一并阐释了此RNA与众不同的功能,拓展了长非编码RNA的作用机制

 

    在此项研究中,研究人员利用基因编缉技术精确敲除位于细胞核仁中的SLERT后发现,SLERT的缺失导致了RNA聚合酶I转录活性的降低。为进一步研究其中的机理,研究人员观察到,存在于细胞核仁中的RNA解旋酶DDX21围绕RNA聚合酶I形成直径约为400nm的环状结构,这个环状结构将RNA聚合酶I“围困在其中,其包围圈大小直接影响RNA聚合酶I转录的活性(下图)。

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RNA解旋酶DDX21围绕RNA聚合酶I形成环状结构。RPA194RNA聚合酶I复合体中的亚基。

 

    深入的研究表明,SLERT可以与DDX21结合改变DDX21的蛋白构象,从而调整DDX21环的大小(下图)。SLERT缺失会让环变小导致RNA聚合酶I的功能发挥受到阻碍,反之当环变大时就可以解除DDX21环对RNA聚合酶I的抑制。

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SLERT可以与DDX21而非RNA聚合酶I复合体互作


    人体细胞中含有约400个拷贝的核糖体DNA (rDNA) 序列,但仅有一半可以转变成rRNA,导致这种rRNA转录差异的原因是什么?陈玲玲研究组对于SLERT的研究也就此提出了一种新的机制,即通过SLERTDDX21环对RNA聚合酶I转录调控进而控制rRNA转录差异。

 

    研究人员还发现敲除SLERT可以抑制模型小鼠体内的肿瘤生长速度,注入敲除SLERT的肿瘤细胞到小鼠,其体内肿瘤的生长速度要低于注入普通肿瘤细胞的小鼠,这也为相关肿瘤的靶向治疗提供了新的靶标。

 

    该研究阐释了细胞仁中蛋白、DNARNA之间的分子机制,解析了DDX21环的大小对于RNA聚合酶I转录的调控机制以及SLERTDDX21环的控制作用,以崭新的视角揭示了RNA聚合酶I转录的新机制,也为深入研究细胞核仁结构及功能提供了新方向。

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SLERT的加工产生以及其与DDX21环、RNA聚合酶Pol I的相互作用机制

 

    据悉,该工作是在陈玲玲研究员的指导下,主要由生化与细胞所博士研究生邢宇航姚润文张杨共同完成。该研究工作还得到中科院-马普计算生物学所杨力研究员的大力帮助,并得到科技部、基金委和中科院的相关经费支持。该研究工作还得到植物生理生态所细胞分析技术平台、生化与细胞所细胞分析技术平台和动物实验技术平台的大力支持。

 

     非常值得一提的是,该项研究中大量运用了超高分辨显微成像技术,能够很直观的检测到SLERTRNA解旋酶DDX21RNA聚合酶I复合体的相互作用情况。所以说,一流的前沿技术在高端论文发表过程中也越发显得重要起来。

 

专家点评:

薛愿超  中科院生物物理所核酸生物学重点实验室PI青年千人、国家优青

 

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    Comments:首先要祝贺玲玲!工作很漂亮,让人眼前一亮!
应该是非编码RNA研究领域能够写进教科书的发现。在这篇论文中,上海生化细胞所的陈玲玲研究员课题组在前期鉴定的sno-lncRNA的基础上,发现SLERT的产生依赖于剪接和两个最外端的box H/ACA snoRNA。在机制上,SLERT特异定位在核仁区,通过结合DDX21而改变其形成的环状构象,进而释放RNA聚合酶I到核糖体RNA的启动子区而促进rRNA的转录。在功能上,研究人员发现过表达SLERT会促进肿瘤生成,而敲除SLERT则可抑制肿瘤,因此提供了一个潜在的癌症治疗靶标。该工作不仅发现了两个新的分子DDX21SLERT可调控RNA聚合酶I, 而且利用超高分辨率在微尺度上为我们展现了一幅精美的协作画卷。该论文也引申出一些值得进一步探讨的有趣问题: SLERT在各种癌症中的表达情况如何? SLERT两端的snoRNA对靶位点的修饰是否也参与到SLERT的功能中?

 

参考文献:

1J.J. Quinn, H.Y. Chang. Unique features of long non-coding RNA biogenesis and function. Nat. Rev. Genet., 17 (2015), pp. 47–62

2Chen LL. 2016. Linking long noncoding RNA localization and function. Trends Biochem Sci, 41:761-772.

3Yang L, Duff MO, Graveley BR, Carmichael GG and Chen LL. 2011. Genomewide characterization of non- polyadenylated RNAs. Genome Biol, 12: R16. 

4Yin QF#, Yang L#, Zhang Y, Xiang JF, Wu YW, Carmichael GG and Chen LL. 2012. Long noncoding RNAs with snoRNA ends. Mol Cell, 48: 219-230. 

5Zhang, X.O., Yin, Q.F., Wang, H.B., Zhang, Y., Chen, T., Zheng, P., Lu, X.,Chen, L.L., and Yang, L. (2014). Species-specific alternative splicing leads to unique expression of sno-lncRNAs. BMC Genomics 15, 287.

 

陈玲玲研究员简介:

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    陈玲玲研究员20092月毕业于美国Universityof Connecticut Health Center 获得生物医学博士学位,并同时获得商学院工商管理学硕士学位。同年5月作为独立PI获得Connecticut Stem Cell Seed Award研究经费资助,受聘于University of Connecticut Stem Cell Institute 从事博士后研究,并于20105月起任助理教授。主要从事RNA编辑和长非编码RNA对基因表达调控和干细胞命运决定的分子机制研究。从2011年起担任上海生命科学院生物化学与细胞生物学研究所研究员,研究组长。建立独立实验室以来,在Cell, Molecular Cell,  Genes & Development, Cell Research, Nat Rev Mol Cell Biol,  Trends Cell Biol, Trends Biochem Sci等杂志上以通讯作者发表研究论文和综述论文10多篇。 目前担任国际期刊Trends in geneticsGenome biologyJournal of Biological Chemistry编委。陈玲玲研究组从事长非编码RNA研究,近年来揭示细胞核内非编码RNA参与基因表达调控的机制(Genes Dev, 2015; Cell Res, 2014, 2015)。也首次创建非poly(A)转录组纯化体系(Genome Biol, 2011),系统发现一系列新RNA分子家族,揭示其生成加工机制及生物学功能,其中包括sno-lncRNAs (Mol Cell, 2012; NAR, 2015Mol Cell, 2016),内含子来源环形RNA (Mol Cell, 2013)及外显子反向剪接环形RNA (Cell, 2014)。相关研究极大地推动了长非编码RNA和环形RNA研究领域的发展。目前是国家基金委优秀青年基金获得者、中组部万人计划青年拔尖人才、第八届上海青年科技英才和第十一届华人生物学家协会Young Investigator Award等。

   (转自BioArt)

国产试剂的春天:

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    文章中提及的部分试剂来自五个国产品牌,分别是Yeasen(翊圣生物)VazymeTSINGKESangonGenstar,这些产品是完成实验重要的组成部分。

    通过该文章,我们可以发现一个可喜的收货:国产试剂品牌越来越多地被科研院所应用,并发表高分文章。从中我们不禁感慨:国产试剂的未来和方向到底如何?面对长期以来进口品牌对中国科研市场的长期垄断,我们是否可以通过试剂的国产化来打破该局面。答案无疑是肯定的,而且目前已经初见成效。另外随着国家对科研基础研究和产业化的重视,已经积累和沉淀了无数的精英人士,再加上政府的大力投入与支持,国产试剂厂商越来有实力开发出可以与国际知名品牌相媲美的优质产品。相信通过不懈的努力,总有一天国产品牌能被更多科研工作者接受。

    上文提到的翊圣生物正是这批正在不断崛起的国产品牌之一,该公司长期致力于以工具酶开发为核心,拥有成熟的蛋白表达系统和严格的质控标准。此外,翊圣拥有一支来自国内一线科研院所的研发人员和国内外一流的技术顾问团队,已经研发出多种质量过硬的酶制剂产品,如上图中的Hieff Clone克隆试剂盒。目前主要面向基础科研、高通量建库和分子诊断相关领域。

 

注:经过翊圣研发团队改造后的工具酶,已经有大量数据证明Yeasen的产品拥有极好的品质。