陳玲玲組Cell首次發現調控RNA聚合酶轉錄的lncRNA—附專家點評丨BioArt特別推薦

BioArt按：早年曾一度被認為是人類基因「暗物質」的長非編碼RNA（簡稱lncRNA），近年來研究發現其家族中不少成員已被證明廣泛參與各種重要生命活動的調控，lncRNA的相關研究也逐漸成為了當今生命科學領域最熱門的研究領域之一。5月4日，Cell雜誌在線發表了中科院生化與細胞研究所陳玲玲研究組題為「SLERT Regulates DDX21 Rings Associated with Pol I Transcription」的關於lncRNA的最新研究成果，該成果揭示了細胞核仁里長非編碼RNA SLERT 在RNA聚合酶I轉錄過程中的重要功能和作用機制，這是首次在人類細胞中發現可以調控RNA聚合酶轉錄的長非編碼RNA。此外，該成果還一併闡釋了此RNA與眾不同的新功能，拓展了長非編碼RNA的作用機制。有鑒於該成果的重要意義，BioArt有幸特別邀請到了中科院生物物理所長期從事非編碼RNA相關研究的薛願超研究員做精彩點評，薛願超研究員在評論中稱讚陳玲玲課題組的這項工作為「應該是非編碼RNA研究領域能夠寫進教科書的發現」。

論文解讀：

在哺乳動物基因組序列中，大約90%轉錄成RNA，而轉錄產物中只有不到10%具有蛋白編碼功能，其餘90%以上的轉錄產物被認為是非編碼RNA，目前一般認為轉錄長度>200nt的非編碼RNA被定義為lncRNA【1】。根據其來源和特徵的不同，lncRNA又能被細分為多種類型，例如lincRNAs、sno-lncRNAs、circRNAs等（下圖）【2】。

人類基因組中存在不同種類的lncRNAs。圖片引自：Chen LL. 2016. Linking long noncoding RNA localization and function. Trends Biochem Sci, 41:761-772.

LncRNA起初曾一度被認為是基因組轉錄的「暗物質」，是RNA聚合酶II轉錄的副產物，不具有特別的生物學功能。然而，近年來大量的研究表明，lncRNA的許多成員已被證明廣泛參與各種重要生命活動的調控，如染色體劑量補償、基因印記、表觀遺傳調控、幹細胞維持和分化、疾病發生等。

細胞核仁位於細胞核中，是RNA聚合酶I轉錄核糖體RNA (rRNA) 以及rRNA加工的重要場所。rRNA轉錄是將核糖體DNA (rDNA) 轉變成rRNA的過程。作為細胞內含量最多的一類RNA，rRNA的轉錄失調與疾病發生密切關聯，轉錄不足易導致骨髓衰竭性貧血，轉錄過多則易引發多種癌症。

陳玲玲研究組運用前期創建的無poly(A)尾巴RNA分離和測序技術發現了一類名為sno-lncRNAs的長非編碼RNA【3,4,5】，在這項研究中，他們主要發現並研究了一類在人類胚胎幹細胞和卵巢癌細胞中高表達的全新sno-lncRNAs——SLERT（694nt），這是首次在人類細胞中發現可以調控RNA聚合酶轉錄的長非編碼RNA。該成果還一併闡釋了此RNA與眾不同的功能，拓展了長非編碼RNA的作用機制。

在此項研究中，研究人員利用基因編緝技術精確敲除位於細胞核仁中的SLERT后發現，SLERT的缺失導致了RNA聚合酶I轉錄活性的降低。為進一步研究其中的機理，研究人員觀察到，存在於細胞核仁中的RNA解旋酶DDX21圍繞RNA聚合酶I形成直徑約為400nm的環狀結構，這個環狀結構將RNA聚合酶I「圍困」在其中，其「包圍圈」大小直接影響RNA聚合酶I轉錄的活性（下圖）。

RNA解旋酶DDX21圍繞RNA聚合酶I形成環狀結構。RPA194為RNA聚合酶I複合體中的亞基。

深入的研究表明，SLERT可以與DDX21結合改變DDX21的蛋白構象，從而調整DDX21環的大小（下圖）。SLERT缺失會讓環變小導致RNA聚合酶I的功能發揮受到阻礙，反之當環變大時就可以解除DDX21環對RNA聚合酶I的抑制。

SLERT可以與DDX21而非RNA聚合酶I複合體互作

人體細胞中含有約400個拷貝的核糖體DNA (rDNA) 序列，但僅有一半可以轉變成rRNA，導致這種rRNA轉錄差異的原因是什麼？陳玲玲研究組對於SLERT的研究也就此提出了一種新的機制，即通過SLERT－DDX21環對RNA聚合酶I轉錄調控進而控制rRNA轉錄差異。

研究人員還發現敲除SLERT可以抑制模型小鼠體內的腫瘤生長速度，注入敲除SLERT的腫瘤細胞到小鼠，其體內腫瘤的生長速度要低於注入普通腫瘤細胞的小鼠，這也為相關腫瘤的靶向治療提供了新的靶標。

該研究闡釋了細胞仁中蛋白、DNA和RNA之間的分子機制，解析了DDX21環的大小對於RNA聚合酶I轉錄的調控機制以及SLERT對DDX21環的控制作用，以嶄新的視角揭示了RNA聚合酶I轉錄的新機制，也為深入研究細胞核仁結構及功能提供了新方向。

SLERT的加工產生以及其與DDX21環、RNA聚合酶Pol I的相互作用機制

據悉，該工作是在陳玲玲研究員的指導下，主要由生化與細胞所博士研究所邢宇航、姚潤文和張楊共同完成。該研究工作還得到中科院－馬普計算生物學所楊力研究員的大力幫助，並得到科技部、基金委和中科院的相關經費支持。該研究工作還得到植物生理生態所細胞分析技術平台、生化與細胞所細胞分析技術平台和動物實驗技術平台的大力支持。

非常值得一提的是，該項研究中大量運用了超高分辨顯微成像技術，能夠很直觀的檢測到SLERT、RNA解旋酶DDX21與RNA聚合酶I複合體的相互作用情況。所以說，一流的前沿技術在高端論文發表過程中也越發顯得重要起來。

薛願超研究員

Comments：首先要祝賀玲玲！工作很漂亮，讓人眼前一亮！應該是非編碼RNA研究領域能夠寫進教科書的發現。在這篇論文中,上海生化細胞所的陳玲玲研究員課題組在前期鑒定的sno-lncRNA的基礎上，發現SLERT的產生依賴於剪接和兩個最外端的box H/ACA snoRNA。在機制上，SLERT特異定位在核仁區，通過結合DDX21而改變其形成的環狀構象，進而釋放RNA聚合酶I到核糖體RNA的啟動子區而促進rRNA的轉錄。在功能上，研究人員發現過表達SLERT會促進腫瘤生成，而敲除SLERT則可抑制腫瘤，因此提供了一個潛在的癌症治療靶標。該工作不僅發現了兩個新的分子DDX21和SLERT可調控RNA聚合酶I, 而且利用超高解析度在微尺度上為我們展現了一幅精美的協作畫卷。該論文也引申出一些值得進一步探討的有趣問題： SLERT在各種癌症中的表達情況如何？ SLERT兩端的snoRNA對靶位點的修飾是否也參與到SLERT的功能中？

參考文獻：

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

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

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

4、Yin 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.

5、Zhang, 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.

陳玲玲研究員2009年2月畢業於美國Universityof Connecticut Health Center 獲得生物醫學博士學位，並同時獲得商學院工商管理學碩士學位。同年5月作為獨立PI獲得Connecticut Stem Cell Seed Award研究經費資助，受聘於University of Connecticut Stem Cell Institute 從事博士后研究，並於2010年5月起任助理教授。主要從事RNA編輯和長非編碼RNA對基因表達調控和幹細胞命運決定的分子機制研究。從2011年起擔任上海生命科學院生物化學與細胞生物學研究所研究員，研究組長。建立獨立實驗室以來，在Cell, Molecular Cell, Genes & Development, Cell Research, Nat Rev Mol Cell Biol, Trends Cell Biol, Trends Biochem Sci等雜誌上以通訊作者發表研究論文和綜述論文10多篇。 目前擔任國際期刊Trends in genetics、Genome biology、Journal of Biological Chemistry編委。陳玲玲研究組從事長非編碼RNA研究，近年來揭示細胞核內非編碼RNA參與基因表達調控的機制(Genes Dev, 2015; Cell Res, 2014, 2015)。也首次創建非poly(A)轉錄組純化體系(Genome Biol, 2011)，系統發現一系列新RNA分子家族，揭示其生成加工機制及生物學功能，其中包括sno-lncRNAs (Mol Cell, 2012; NAR, 2015；Mol Cell, 2016)，內含子來源環形RNA (Mol Cell, 2013)及外顯子反向剪接環形RNA (Cell, 2014)。相關研究極大地推動了長非編碼RNA和環形RNA研究領域的發展。目前是國家基金委優秀青年基金獲得者、中組部「萬人計劃」青年拔尖人才、第八屆上海青年科技英才和第十一屆華人生物學家協會Young Investigator Award等。

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