7月30日，國際知名學術(shù)期刊《科學》（Science）以Research Article形式發(fā)表了中國科學院分子細胞科學卓越創(chuàng)新中心（生物化學與細胞生物學研究所）陳玲玲研究組和劉珈泉研究組的合作研究成果“l(fā)ncRNA SLERT controls phase separation of FC/DFCs to facilitate Pol I transcription”，并獲同期Perspectives專評。該研究首次揭示了長非編碼RNA SLERT以RNA分子伴侶機制改變互作核仁蛋白DDX21構(gòu)象進而影響FC/DFC區(qū)域的大小和流動性，維持RNA聚合酶I高效轉(zhuǎn)錄生成核糖體RNA。

　　核仁是細胞核內(nèi)的核糖體RNA加工廠，從形態(tài)上由內(nèi)而外可以分為三層結(jié)構(gòu)：纖維中心區(qū)（FC）、高密度纖維區(qū)（DFC）和顆粒區(qū)（GC）。陳玲玲組前期利用超高分辨率顯微鏡系統(tǒng)詳細剖析了人類活細胞的核仁三維精細結(jié)構(gòu)，他們發(fā)現(xiàn)核仁含有多個球殼狀FC/DFC單元；每個FC/DFC包括2-3個拷貝活躍的rDNA, RNA聚合酶I轉(zhuǎn)錄復(fù)合物聚集在FC區(qū)域邊緣對rDNA進行轉(zhuǎn)錄；DFC內(nèi)rRNA前體加工蛋白，例如Fibrillarin（FBL）在DFC區(qū)域呈現(xiàn)簇狀結(jié)構(gòu)，并參與調(diào)控rRNA前體的定向轉(zhuǎn)運和核仁DFC的組裝(Yao et al.,Mol Cell,2019)。2017年陳玲玲組發(fā)現(xiàn)一條兩端以snoRNA結(jié)尾的新型長非編碼RNA—SLERT定位在細胞核仁，SLERT直接結(jié)合核仁蛋白DDX21并調(diào)控其形成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)的大小進而促進RNA聚合酶I轉(zhuǎn)錄(Xing et al.,Cell,2017)。RNA聚合酶I轉(zhuǎn)錄發(fā)生在FC和DFC的交界處，SLERT主要定位在DFC區(qū)域，那么SLERT是如何通過結(jié)合DDX21在精密組裝的核仁內(nèi)對RNA聚合酶I轉(zhuǎn)錄活性進行調(diào)控呢？

　　在這項最新的研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)SLERT的缺失不僅導致DDX21簇狀球殼結(jié)構(gòu)變小和蛋白流動性降低，還會引起整個FC/DFC轉(zhuǎn)錄單元的縮小和固化?；诤巳式Y(jié)構(gòu)特點，研究人員利用超高分辨率結(jié)構(gòu)照明顯微鏡（SIM）成像技術(shù)，發(fā)現(xiàn)DDX21依賴于DFC區(qū)域的形成定位在DFC區(qū)域外側(cè)，且DDX21層對內(nèi)層結(jié)構(gòu)有限制作用，對核仁組裝和結(jié)構(gòu)維持的機制有了更深的認識。

　　核仁作為細胞內(nèi)最大的無膜細胞器，其相分離的特征對核仁結(jié)構(gòu)、動態(tài)變化及生理功能產(chǎn)生了重要作用。為了進一步研究SLERT調(diào)控核仁FC/DFC的機制，研究人員利用體外蛋白質(zhì)相分離、熒光漂白恢復(fù)、沉淀分離等技術(shù)手段發(fā)現(xiàn)DDX21蛋白在體外呈現(xiàn)纖維狀（fiber）形態(tài)，這種DDX21的纖維結(jié)構(gòu)與經(jīng)典的FBL液滴相比是極度固化的，SLERT可以減弱DDX21的fiber形成程度，提高DDX21蛋白流動性以及解除DDX21對FBL的限制作用。

　　DDX21存在強度相當且相互影響的分子內(nèi)和分子間相互作用，較強的分子間相互作用導致蛋白多聚化增加，DDX21分子的高度聚集壓縮FC/DFC區(qū)域的大小，限制FC/DFC區(qū)域的流動性；SLERT與DDX21結(jié)合增加DDX21分子內(nèi)相互作用，使DDX21分子呈現(xiàn)閉合構(gòu)象；閉合構(gòu)象的DDX21具有較低的分子間結(jié)合作用，減弱DDX21對FC/DFC大小的抑制，并且形成較為疏松的空間環(huán)境來維持RNA聚合酶I的高效轉(zhuǎn)錄。

　　為了進一步研究SLERT調(diào)控的DDX21簇如何影響rDNA的轉(zhuǎn)錄，陳玲玲組和劉珈泉組合作使用單分子全內(nèi)反射熒光顯微鏡（smTIRF）發(fā)現(xiàn)DDX21在50nM時會形成數(shù)百個分子的蛋白聚集，DDX21分子簇可以結(jié)合并卷曲線性的rDNA分子，被DDX21纏繞的rDNA不能與RNA聚合酶I的重要亞基RPA49結(jié)合。SLERT促進DDX21閉合的構(gòu)象和增大DDX21流動性可以阻止DDX21對rDNA的包裹，從而保證RNA聚合酶I復(fù)合物在rDNA上的有效占位并進行轉(zhuǎn)錄。

　　lncRNA一般表達量較低，其發(fā)揮調(diào)控作用的模式一直是領(lǐng)域內(nèi)探討的重要問題，然而傳統(tǒng)生物學的一對一靶向理論并不完全適用于lncRNA的低劑量分子數(shù)和其所控制的生物表型。此項研究發(fā)現(xiàn)SLERT可作為RNA分子伴侶低劑量調(diào)控DDX21的多聚狀態(tài)，SLERT傾向于結(jié)合開放構(gòu)象的DDX21，誘導其成閉合狀態(tài)之后SLERT會釋放閉合構(gòu)象的DDX21轉(zhuǎn)而結(jié)合新的具有開放構(gòu)象的DDX21開啟下一個功能循環(huán)。

　　中國科學院分子細胞科學卓越創(chuàng)新中心（生物化學與細胞生物學研究所）陳玲玲研究組博士研究生吳曼、許光和劉珈泉研究組博士研究生韓沖為該論文的共同第一作者，陳玲玲研究員、劉珈泉研究員為該論文的共同通訊作者。陳玲玲組博士研究生欒鵬飛、楊良中、楊正虎、單琳，博士后黃友葵和已畢業(yè)博士生邢宇航參與工作。該研究也得到中國科學院上海營養(yǎng)與健康所（原計算生物學研究所）楊力研究員及其博士研究生南芳的大力幫助。

      該工作首次發(fā)現(xiàn)SLERT以RNA分子伴侶機制調(diào)控蛋白質(zhì)的構(gòu)象和多聚狀態(tài)并且觀察到單分子水平下蛋白質(zhì)微觀相分離的功能特征和調(diào)控機制。蛋白質(zhì)的多聚狀態(tài)與其流動性、分子間相互作用以及功能發(fā)揮直接相關(guān)，RNA分子伴侶通過跨越數(shù)量級調(diào)控核仁蛋白質(zhì)相分離特性維持細胞核仁正常的形態(tài)功能，對lncRNA領(lǐng)域和相分離領(lǐng)域的深入研究具有重大意義。該工作獲得來自基金委、中科院、科技部和上海市科委的經(jīng)費支持。

　　文章鏈接：https://science.sciencemag.org/content/373/6554/547

　　（A）左上：體外相分離實驗中，纖維狀DDX21的形成隨蛋白濃度降低而減弱；左下：在不同的實驗體系中，不同濃度的DDX21蛋白呈現(xiàn)不同的分子狀態(tài)，SLERT可以增加DDX21蛋白的流動性；右：體內(nèi)實驗和體外重構(gòu)實驗中，SLERT通過結(jié)合DDX21增加FC/DFC轉(zhuǎn)錄單元的大小和流動性。

　　（B）DDX21分子抱團聚集在核仁DFC區(qū)域的外側(cè)，并且限制FC/DFC區(qū)域的大小和流動性。SLERT調(diào)控DDX21的構(gòu)象由開放轉(zhuǎn)為閉合，DDX21分子呈現(xiàn)低聚的疏松狀態(tài)，為Pol I的高效轉(zhuǎn)錄提供合適的空間環(huán)境。Pol I轉(zhuǎn)錄發(fā)生在FC和DFC的交界處，DDX21卷曲纏繞rDNA阻止Pol I轉(zhuǎn)錄復(fù)合物在rDNA的占位。SLERT調(diào)控DDX21的構(gòu)象和流動性抑制DDX21對rDNA的纏繞從而促進Pol I轉(zhuǎn)錄。