【学术前沿】改变教科书的发现：Pol II在核仁中的新功能

以下文章来源于BioArt ，作者十一月

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蛋白质是由核糖体合成而由核糖体蛋白质和RNA分子组装的核糖体主要是在细胞核仁中进行装配的【1,2】。目前已知的模型认为RNA聚合酶I和III（Pol I和Pol III）是唯一能够直接调控核糖体RNA（Ribosomal RNA，rRNA）表达的酶。有趣的是，有研究表明在出芽酵母中RNA聚合酶II在rDNA序列中大的基因间隔区域 (Intergenic spacers, IGSs）高度富集，此现象被发现对酵母有害，因为这种富集会在不影响rRNA表达的情况下会驱动衰老的发生【3-5】。但是目前对于细胞核表达的Pol II 是否存在于更高等的生物中以及对核糖体的生物合成具有一定的促进作用还不得而知。

2020年7月15日，加拿大多伦多大学Karim Mekhail研究组在Nature杂志上发表文章Nucleolar RNA polymerase II drives ribosome biogenesis，发现人体细胞核仁内的RNA聚合酶II通过操纵rRNAs附近的基因驱动其表达，RNA聚合酶II在神经退行性疾病相关的酶senataxin协助产生R-loops发挥“护盾”作用阻止Pol I催化合成的破坏核仁组织和rRNA表达的正义基因间非编码RNA（Sense intergenic noncoding RNAs, sincRNAs），揭示出Pol II对人类健康和疾病状况存在的潜在影响。

细胞核仁中亚区域是由多种蛋白通过液-液相分离自我组织形成的，对于高度特化的核糖体组装过程非常关键【2】。哺乳动物心脏细胞核仁纤维状中心中，用于组装核糖体最主要的rRNA分子是由Pol I依赖的rDNA重复区域转录产生的【4】。在rDNA区域，rRNA基因由多个大的基因间区域IGSs分开。在核仁rRNA基因上，Pol I合成前体rRNAs然后加工形成成熟的28S、18S以及5.8S rRNA分子。在核仁之外，Pol III合成5S rRNA分子然后送到核仁中进行加工。成熟的rRNAs会组装成40S和60S核糖体亚基然后被运送到细胞质中发挥作用。传统认识上，核仁Pol I和核质Pol III被视为唯一的哺乳动物RNA聚合酶，直接介导管家基因核糖体的生物发生过程。

为了探究Pol II是否存在于人类的细胞核核仁之中，作者们首先使用超分辨成像与免疫染色相结合的方式进行检测。作者们使用活跃的Pol II 2号位丝氨酸磷酸化抗体pS2以及5号位丝氨酸磷酸化抗体pS5染色后发现，在核仁蛋白NPM标记的核仁范围内，活跃的Pol II磷酸化抗体在呈现点状分布，并且通过ChIP实验作者们进一步发现Pol II pS2以及pS5抗体富集在rDNA区域尤其是IGS28和IGS38区域（图1）。作者们还发现，rDNA位点同时存在Pol I和Pol II。

图1 RNA聚合酶II以点状分布在细胞核仁内并聚集在rDNA区域

为了探究rRNA的生物合成是否会被Pol II扰动所影响，作者们对细胞进行了Pol II抑制剂处理，发现Pol II的抑制会完全消除前体rRNA的加工。因此，Pol II可能会通过与IGSs的结合直接支持核仁rRNA的表达。在不同的细胞系中，作者们发现抑制Pol I之后IGS非编码RNA的表达量降低，但是令人吃惊的是在抑制Pol II之后IGS非编码RNA被明显的诱导转录。但是同时抑制Pol I和Pol II的情况下会完全消除对于IGS非编码RNA的诱导。这些结果说明，Pol II会抵消Pol I依赖的IGS非编码RNA的合成。通过对IGSs链特异性转录本分析，作者们分别鉴定了由Pol I和Pol II转录的正义链基因间非编码sincRNAs和反义基因间非编码RNAs (Antisense intergenic ncRNAs, asincRNAs)。

先前的研究表明，核仁蛋白NPM通过液-液相分离协助核仁的组装，并且此过程对于rRNA的加工是必须的【2】。Pol II的抑制会造成NPM相分离现象消失，同时会在完全弥散之前在核质区域形成皱褶小体（Ruffled bodies）。在胁迫存在的情况下，细胞中会形成核仁淀粉样小体。作者们发现环境胁迫会抑制asincRNA的水平同时促进sincRNA依赖的核仁重塑过程。sincRNA在体外可以诱导液滴形成，而在体内可以促进液滴形成以及随后向固体类似淀粉样小体的转变。因此，sincRNA的累积会驱动核仁混乱。而Pol II作用正是抑制不同的Pol I依赖的sincRNAs的表达，从而阻止胁迫依赖的核仁相分离，维持内源核仁凝聚物的在rRNA生物合成中的功能。

那么Pol II是通过什么机制在核仁中发挥作用的呢？核仁中富集存在R-loops，R-loops是包含一个DNA-RNA杂交链和一个单链的DNA的核酸三链结构【6】。因此，作者们认为R-loop的水平可能会对Pol I与Pol II之间的相互协作存在一定的功能。作者们通过DNA-RNA杂交链免疫染色以及重组DNA-RNA杂交链抑制因子RNaseH1的实验发现R-loops的确会作为Pol II抑制sincRNA的重要调节因子发挥作用。

揭开Pol II对于sincRNA的抑制机制后，作者们希望鉴定得到在核仁中Pol II的调控因子。Senataxin（SETX）是人体中神经退行性疾病相关的解旋酶【7】。先前关于SETX在酵母中转录调节作用的研究给了作者们一些启示，作者们发现SETX富集在人类细胞IGSs区域上，并且与Pol II共定位。SETX的敲除会阻止Pol II的装载为IGSs提供的保护作用。在肿瘤细胞中，sincRNAs会造成核仁的瓦解，敲低sincRNA后核仁解体和rRNA合成缺陷的问题就会被克服。这些结果也说明sincRNA在肿瘤细胞中并造成了核仁形态的异常。R-loops的增加可能会代偿sincRNA水平增加带来的影响。

图2 工作模型

总的来说，Mekhail研究组发现在哺乳动物细胞核仁中的Pol II通过反义链转录产生R-loop保护rDNA IGSs位点从而阻碍Pol I依赖的正义链基因间非编码RNA转录本对于核仁rRNA表达等正常功能的损伤（图2）。未来的工作将会揭开sincRNAs以及核仁解体在癌症中作为生物标记物的潜能以及在肿瘤中的表现。该工作为RNA聚合酶II的功能进行了新的定义，对教科书中Pol II作为催化合成mRNA的功能进行了重要补充，Pol II作为核糖体生物合成的新调控因子将在人类健康与疾病中发挥广泛的作用。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2497-0

制版人：十一

参考文献

1. Boisvert, F. M., van Koningsbruggen, S., Navascués, J. & Lamond, A. I. The multifunctional nucleolus. Nature reviews. Molecular cell biology 8, 574-585, doi:10.1038/nrm2184 (2007).

2. Feric, M. et al. Coexisting Liquid Phases Underlie Nucleolar Subcompartments. Cell 165, 1686-1697, doi:10.1016/j.cell.2016.04.047 (2016).

3. Kaeberlein, M., McVey, M. & Guarente, L. The SIR2/3/4 complex and SIR2 alone promote longevity in Saccharomyces cerevisiae by two different mechanisms. Genes & development 13, 2570-2580, doi:10.1101/gad.13.19.2570 (1999).

4. Mekhail, K. & Moazed, D. The nuclear envelope in genome organization, expression and stability. Nature reviews. Molecular cell biology 11, 317-328, doi:10.1038/nrm2894 (2010).

5. Kobayashi, T. & Ganley, A. R. Recombination regulation by transcription-induced cohesin dissociation in rDNA repeats. Science (New York, N.Y.) 309, 1581-1584, doi:10.1126/science.1116102 (2005).

6. Santos-Pereira, J. M. & Aguilera, A. R loops: new modulators of genome dynamics and function. Nature reviews. Genetics 16, 583-597, doi:10.1038/nrg3961 (2015).

7. Groh, M., Albulescu, L. O., Cristini, A. & Gromak, N. Senataxin: Genome Guardian at the Interface of Transcription and Neurodegeneration. Journal of molecular biology 429, 3181-3195, doi:10.1016/j.jmb.2016.10.021 (2017).

来源：BioArt

1980-2020

原标题：《【学术前沿】改变教科书的发现：Pol II在核仁中的新功能》

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