【沈晓骅/李兵课题组合作揭示RNA结合蛋白通过相分离调控转录的新功能】
近日，清华大学医学院沈晓骅和上海交通大学医学院李兵团队合作，在Nature Chemical Biology（自然•化学生物学）发表Phase separation of RNA-binding protein promotes polymerase binding and transcription（RNA结合蛋白通过相分离促进RNA聚合酶的结合和转录）的研究论文，报道了RNA结合蛋白利用其内在的结合RNA和相分离的活性，介导了Pol II在转录起始位点形成转录聚集体，从而区室化Pol II在转录位点的结合，以及Pol II进一步的磷酸化、释放和转录延伸。
转录调控是细胞功能和发育的核心，受到一系列蛋白因子和非编码元件的精细调控。近年来报道表明，转录是一个液-液相分离的过程（liquid-liquid phase separation, LLPS）。RNA聚合酶II（RNA polymerase II, Pol II）的招募（recruitment）、起始（initiation）、和释放-延伸（pausing release and elongation），很可能反映了Pol II相分离聚集体（phase-separated condensates）的行为并其受其影响。有趣的是，转录以短暂爆发（burst）的形式发生并具有内在的随机性（stochasticity），并且Pol II在染色质上的结合时间为秒级别，Pol II由起始向转录延伸转变的效率极低（~1%）。这些现象表明，存在未知的限速事件调控Pol II在染色质上的行为。
RNA，包括编码和非编码RNA，广泛地结合到染色质上，尤其是在基因启动子和增强子等调控元件上，反馈调控转录并影响染色质的空间组织。有报道RNA可能通过相分离参与转录，但是这一假说仍然缺少一个关键环节，即连接RNA和以 DNA 结合活性为主的转录机器。真核生物转录与 RNA 加工是同时发生的。RNA 结合蛋白 (RNA-binding protein，RBP) 是贯穿RNA从合成到降解过程的重要蛋白因子。之前沈晓骅实验室报道，参与RNA剪接的U1小核糖核蛋白粒子（U1 snRNP）广泛调控非编码RNA在染色质上的富集和移动（Yin et al., Nature, 2020）。启动子附近的非编码和初生RNA招募转录延伸因子 WDR43（也是核糖体生成因子）到染色质，促进Pol II释放和转录延伸（Bi et al., Molecular Cell, 2019）。然而，RBP与 RNA协同直接参与转录调控，是否是一个普遍的规律？具体的生物化学机制是什么？这些仍有待证明和揭示。
该文首先通过定量质谱发现染色质组成蛋白(除histone外)一半以上的都是RNA 结合蛋白，数百种RBP以RNA和转录依赖的形式与染色质动态地结合。相比与非染色质RBP，染色质上的RBP具有更高比例的发生液-液相分离（LLPS）所需的低复杂度序列（LCS）和固有无序区（IDR）。对其中部分RBP候选蛋白的研究显示，它们广泛结合基因组调控元件，一方面在细胞内广泛结合Pol II，另一方面可以在体外与Pol II 最大亚基的固有无序碳末端结构域 (carboxyl terminal domain, CTD)共同相分离。并且，当它们被敲低后会导致细胞整体转录活性的降低。
为探究RBP参与转录的生化机制，该文对PSPC1（paraspecle protein 1）进行了体内和体外的深入研究。首先，用AID (auxin-induced degradation) 系统诱导PSPC1的快速降解，导致Pol II磷酸化水平和在染色质上结合的整体下降，同时伴随着细胞转录水平的下降。其次，通过液滴形成实验（droplet formation），揭示了它通过相分离精细调控转录发生的一系列步骤。RNA上的负电荷会将 CTD 从转录因子的相分离小体中驱逐出去。然而， PSPC1 结合RNA时，不仅可以阻止 RNA对 CTD 的驱逐，而且利用RNA为多价分子促进PSPC1其自身的相分离，并富集 CTD到转录相分离聚集体，以及促进由CTD激酶（CDKs）介导的CTD磷酸化和释放。重要的是，体外转录实验表明，在转录全过程中，包括起始、暂停和延伸，PSPC1稳定了Pol II 全酶（holoenzyme）与模板DNA的结合，并促进Pol II转录活性和RNA产生。值得一提的是，PSPC1在细胞内、外调控Pol II的活性，主要依赖于其RNA结合与相分离的能力。这个特征在诸多染色质结合的RBP上都存在，暗示了RBP与 RNA协同通过相分离调控转录的机制很可能普遍存在。这一工作从机制上为转录调控提供了新的见解，拓展了对多细胞真核生物基因表达异质性和复杂性调控的理解，将开启以RNA为中心的转录研究的新篇章。
原文链接
https://t.cn/A6JbMDq7
近日，清华大学医学院沈晓骅和上海交通大学医学院李兵团队合作，在Nature Chemical Biology（自然•化学生物学）发表Phase separation of RNA-binding protein promotes polymerase binding and transcription（RNA结合蛋白通过相分离促进RNA聚合酶的结合和转录）的研究论文，报道了RNA结合蛋白利用其内在的结合RNA和相分离的活性，介导了Pol II在转录起始位点形成转录聚集体，从而区室化Pol II在转录位点的结合，以及Pol II进一步的磷酸化、释放和转录延伸。
转录调控是细胞功能和发育的核心，受到一系列蛋白因子和非编码元件的精细调控。近年来报道表明，转录是一个液-液相分离的过程（liquid-liquid phase separation, LLPS）。RNA聚合酶II（RNA polymerase II, Pol II）的招募（recruitment）、起始（initiation）、和释放-延伸（pausing release and elongation），很可能反映了Pol II相分离聚集体（phase-separated condensates）的行为并其受其影响。有趣的是，转录以短暂爆发（burst）的形式发生并具有内在的随机性（stochasticity），并且Pol II在染色质上的结合时间为秒级别，Pol II由起始向转录延伸转变的效率极低（~1%）。这些现象表明，存在未知的限速事件调控Pol II在染色质上的行为。
RNA，包括编码和非编码RNA，广泛地结合到染色质上，尤其是在基因启动子和增强子等调控元件上，反馈调控转录并影响染色质的空间组织。有报道RNA可能通过相分离参与转录，但是这一假说仍然缺少一个关键环节，即连接RNA和以 DNA 结合活性为主的转录机器。真核生物转录与 RNA 加工是同时发生的。RNA 结合蛋白 (RNA-binding protein，RBP) 是贯穿RNA从合成到降解过程的重要蛋白因子。之前沈晓骅实验室报道，参与RNA剪接的U1小核糖核蛋白粒子（U1 snRNP）广泛调控非编码RNA在染色质上的富集和移动（Yin et al., Nature, 2020）。启动子附近的非编码和初生RNA招募转录延伸因子 WDR43（也是核糖体生成因子）到染色质，促进Pol II释放和转录延伸（Bi et al., Molecular Cell, 2019）。然而，RBP与 RNA协同直接参与转录调控，是否是一个普遍的规律？具体的生物化学机制是什么？这些仍有待证明和揭示。
该文首先通过定量质谱发现染色质组成蛋白(除histone外)一半以上的都是RNA 结合蛋白，数百种RBP以RNA和转录依赖的形式与染色质动态地结合。相比与非染色质RBP，染色质上的RBP具有更高比例的发生液-液相分离（LLPS）所需的低复杂度序列（LCS）和固有无序区（IDR）。对其中部分RBP候选蛋白的研究显示，它们广泛结合基因组调控元件，一方面在细胞内广泛结合Pol II，另一方面可以在体外与Pol II 最大亚基的固有无序碳末端结构域 (carboxyl terminal domain, CTD)共同相分离。并且，当它们被敲低后会导致细胞整体转录活性的降低。
为探究RBP参与转录的生化机制，该文对PSPC1（paraspecle protein 1）进行了体内和体外的深入研究。首先，用AID (auxin-induced degradation) 系统诱导PSPC1的快速降解，导致Pol II磷酸化水平和在染色质上结合的整体下降，同时伴随着细胞转录水平的下降。其次，通过液滴形成实验（droplet formation），揭示了它通过相分离精细调控转录发生的一系列步骤。RNA上的负电荷会将 CTD 从转录因子的相分离小体中驱逐出去。然而， PSPC1 结合RNA时，不仅可以阻止 RNA对 CTD 的驱逐，而且利用RNA为多价分子促进PSPC1其自身的相分离，并富集 CTD到转录相分离聚集体，以及促进由CTD激酶（CDKs）介导的CTD磷酸化和释放。重要的是，体外转录实验表明，在转录全过程中，包括起始、暂停和延伸，PSPC1稳定了Pol II 全酶（holoenzyme）与模板DNA的结合，并促进Pol II转录活性和RNA产生。值得一提的是，PSPC1在细胞内、外调控Pol II的活性，主要依赖于其RNA结合与相分离的能力。这个特征在诸多染色质结合的RBP上都存在，暗示了RBP与 RNA协同通过相分离调控转录的机制很可能普遍存在。这一工作从机制上为转录调控提供了新的见解，拓展了对多细胞真核生物基因表达异质性和复杂性调控的理解，将开启以RNA为中心的转录研究的新篇章。
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