分子植物卓越中心等解析植物中獨(dú)特的雙鏈RNA合成機(jī)制

轉(zhuǎn)座子（transposon）最早由美國(guó)遺傳學(xué)家Barbara McClintock在玉米中發(fā)現(xiàn)，在細(xì)菌、病毒以及真核生物的基因組中廣泛分布。轉(zhuǎn)座子類似內(nèi)源性病毒，能夠在宿主基因組中“復(fù)制和粘貼”自己的DNA，以達(dá)到其自我“繁殖”的目的?；钴S的轉(zhuǎn)座子對(duì)基因組的穩(wěn)定構(gòu)成嚴(yán)重威脅，高等生物通過對(duì)轉(zhuǎn)座子DNA進(jìn)行甲基化修飾將其沉默來維持基因組的穩(wěn)定性。

RNA導(dǎo)向的DNA甲基化（RdDM）途徑是高等植物基因組甲基化的重要途徑。在該途徑中，植物獨(dú)有的兩個(gè)RNA聚合酶（Pol IV和Pol V）發(fā)揮了核心作用。Pol IV與RDR2合作產(chǎn)生小干擾RNA的dsRNA前體，經(jīng)過加工后形成24個(gè)堿基的小干擾RNA，隨后這些小干擾RNA在Argonaut蛋白的幫助下與RNA聚合酶Pol V產(chǎn)生的scaf?fold RNA配對(duì)，從而招募DNA甲基轉(zhuǎn)移酶（DRM2）完成DNA的甲基化。

Pol IV和Pol V作為真核生物的第四個(gè)和第五個(gè)多亞基RNA聚合酶，其基因轉(zhuǎn)錄區(qū)域、轉(zhuǎn)錄起始、延伸和終止機(jī)制、轉(zhuǎn)錄調(diào)控方式均和Pol I、Pol II和Pol III有較大區(qū)別。Pol IV轉(zhuǎn)錄的獨(dú)特之處在于，Pol IV能夠與RDR2形成復(fù)合物，直接以雙鏈的基因組DNA為模板催化dsRNA的合成。雖然植物Pol IV和Pol V于2005年被發(fā)現(xiàn)，但其三維結(jié)構(gòu)仍然未被報(bào)道，影響了關(guān)于Pol IV和Pol V的進(jìn)一步深入研究。

近期，中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心張余研究團(tuán)隊(duì)、王佳偉研究團(tuán)隊(duì)以及浙江大學(xué)馮鈺團(tuán)隊(duì)合作，首次解析了植物Pol IV的結(jié)構(gòu)，揭示了植物Pol IV-RDR2兩種RNA聚合酶組裝成的獨(dú)特復(fù)合物構(gòu)造，并提出了Pol IV-RDR2以底物內(nèi)部傳遞的機(jī)制實(shí)現(xiàn)雙鏈DNA為模板合成雙鏈RNA。

該研究克服了低豐度超大蛋白質(zhì)復(fù)合物的制備瓶頸，通過擬南芥的懸浮細(xì)胞體系純化了內(nèi)源的Pol IV-RDR2復(fù)合物，隨后通過冷凍電鏡單顆粒重構(gòu)技術(shù)，解析了Pol IV-RDR2全酶和Pol IV-RDR2轉(zhuǎn)錄延伸復(fù)合物冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，結(jié)合生物化學(xué)和遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步闡明了Pol IV和RDR2協(xié)作的分子機(jī)制。

研究發(fā)現(xiàn)，三維結(jié)構(gòu)支持Pol IV由Pol II進(jìn)化而來，然而幾億年的進(jìn)化使Pol IV的催化中心和外部結(jié)構(gòu)單元與Pol II有所不同。首先，Pol IV蛋白的外部結(jié)構(gòu)單元不能與TFIIB、TFIIE、TFIIF等Pol II特異轉(zhuǎn)錄起始因子相互作用，從而保證了Pol IV與Pol II的轉(zhuǎn)錄相互獨(dú)立。其次，Pol IV催化中心的核心元件發(fā)生變化，提示Pol IV轉(zhuǎn)錄過程容易發(fā)生停滯和倒退。

該研究最有意義的發(fā)現(xiàn)在于Pol IV和RDR2形成一個(gè)穩(wěn)定的復(fù)合物，且這兩個(gè)聚合酶的催化中心由一個(gè)內(nèi)部的通道相連接，Pol IV以雙鏈DNA為模板合成的單鏈RNA通過這個(gè)內(nèi)部通道直接傳遞給RDR2，從而RDR2能夠以這條單鏈RNA為模板輸出雙鏈RNA。據(jù)此，研究人員提出了Pol IV-RDR2復(fù)合物以RNA內(nèi)部傳遞的機(jī)制實(shí)現(xiàn)雙鏈DNA為模板合成雙鏈RNA的模型。首先，Pol IV在基因組DNA上前進(jìn)，以雙鏈DNA為模板合成一定長(zhǎng)度的單鏈RNA，在轉(zhuǎn)錄延伸過程中由于染色體的多重障礙以及Pol IV的內(nèi)在性質(zhì)導(dǎo)致Pol IV轉(zhuǎn)錄暫停并發(fā)生倒退，在Pol IV倒退的過程中，Pol IV合成的單鏈RNA從內(nèi)部通道進(jìn)入RDR2的催化中心，該單鏈RNA隨后被RDR2用作模板合成雙鏈RNA。RDR2在合成雙鏈RNA的過程中會(huì)促使Pol IV合成的單鏈RNA逐漸從Pol IV的催化中心解離。最后，RDR2完成雙鏈RNA的合成和釋放。上述特殊的作用機(jī)制能夠保證Pol IV合成的單鏈RNA直接傳遞至RDR2，防止單鏈RNA的降解，另外，Pol IV-RDR2經(jīng)過一輪雙鏈RNA合成之后，又回到轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)，能夠開始下一輪雙鏈RNA合成，高效地實(shí)現(xiàn)了雙鏈RNA的擴(kuò)增。

該研究首次揭示了真核生物第四個(gè)多亞基RNA聚合酶的三維構(gòu)造，闡明了兩種RNA聚合酶Pol IV和RDR2協(xié)作轉(zhuǎn)錄的獨(dú)特分子機(jī)制，回答了RdDM途徑中雙鏈RNA如何合成的科學(xué)問題。研究結(jié)果拓展了真核生物RNA聚合酶結(jié)構(gòu)和功能的多樣性，加深了對(duì)植物表觀遺傳機(jī)制的理解。

相關(guān)成果以Pol IV and RDR2:A two-RNA-polymerase machine that produces dou?ble-stranded RNA為題，于12月24日發(fā)表在《科學(xué)》上。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、上海市基礎(chǔ)研究特區(qū)計(jì)劃項(xiàng)目和中科院重點(diǎn)部署項(xiàng)目的資助。