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分子植物卓越中心Science:解析植物中獨(dú)特的雙鏈RNA合成機(jī)制

來(lái)源:中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心      2021-12-24
導(dǎo)讀:2021年12月24日,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)和王佳偉研究團(tuán)隊(duì)以及浙江大學(xué)馮鈺團(tuán)隊(duì)合作在《科學(xué)》上發(fā)表題為“Pol IV and RDR2: A two-RNA-polymerase machine that produces double-stranded RNA”的研究論文,該研究首次解析了植物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。

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  轉(zhuǎn)座子(transposon)最早由美國(guó)的遺傳學(xué)家Barbara McClintock(1983年諾貝爾生理和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng))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(guò)對(duì)轉(zhuǎn)座子DNA進(jìn)行甲基化修飾將其沉默來(lái)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(guò)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scaffold 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),然而其三維結(jié)構(gòu)仍然未被報(bào)導(dǎo),大大阻礙了Pol IV和Pol V的進(jìn)一步深入研究。

  2021年12月24日,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)和王佳偉研究團(tuán)隊(duì)以及浙江大學(xué)馮鈺團(tuán)隊(duì)合作在《科學(xué)》上發(fā)表題為“Pol IV and RDR2: A two-RNA-polymerase machine that produces double-stranded RNA”的研究論文,該研究首次解析了植物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。

  在該工作中,作者克服了低豐度超大蛋白質(zhì)復(fù)合物的制備瓶頸,通過(guò)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(guò)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),并結(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。

  三維結(jié)構(gòu)支持Pol IV由Pol II進(jìn)化而來(lái),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以及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(guò)程容易發(fā)生停滯和倒退。

  Pol IV-RDR2的三維結(jié)構(gòu)以及二者高效合作合成雙鏈RNA的機(jī)制 


  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,并且這兩個(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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)一輪雙鏈RNA合成之后,又回到轉(zhuǎn)錄起點(diǎn),能夠開(kāi)始下一輪雙鏈RNA合成,高效地實(shí)現(xiàn)了雙鏈RNA的擴(kuò)增。

  這項(xiàng)工作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(wèn)題。這一研究結(jié)果拓展了真核生物RNA聚合酶結(jié)構(gòu)和功能的多樣性,加深了我們對(duì)植物表觀遺傳機(jī)制的理解。

  該論文由分子植物卓越中心黃坤、武霄仙、方城力和徐洲更為共同第一作者,張余研究員、王佳偉研究員和浙江大學(xué)馮鈺研究員為共同通訊作者。本課題受到國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院先導(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。

  論文鏈接:https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj9184

  

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