在真核生物的基因表達(dá)過(guò)程中，新生RNA的成熟通常與轉(zhuǎn)錄同步進(jìn)行，發(fā)生在富含核小體的染色質(zhì)環(huán)境中。這一過(guò)程中，選擇性多聚腺苷酸化（Alternative Polyadenylation，APA）[1]是產(chǎn)生多種具有不同3'非翻譯區(qū)（3'UTR）的轉(zhuǎn)錄本亞型的關(guān)鍵機(jī)制。在人類基因中，超過(guò)60%的基因都出現(xiàn)了APA引起的可變UTR，通過(guò)改變轉(zhuǎn)錄本中的順式作用元件，包括蛋白質(zhì)結(jié)合位點(diǎn)和調(diào)控RNA的結(jié)合位點(diǎn)，從而影響mRNA的穩(wěn)定性、細(xì)胞內(nèi)RNA的降解、蛋白質(zhì)的多樣性及其翻譯效率。APA的失調(diào)在癌癥、神經(jīng)退行性疾病等多種人類疾病中均有報(bào)道[2]，凸顯了對(duì)其調(diào)控機(jī)制深入研究的重要性。
組蛋白的翻譯后修飾（Post-translational modifications, PTMs）通過(guò)改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)，參與RNA加工的多個(gè)階段，進(jìn)而精細(xì)調(diào)控基因表達(dá)。染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和組蛋白修飾，如H3K36me3，已被證實(shí)在調(diào)節(jié)APA中發(fā)揮重要作用。然而，H3K36me3介導(dǎo)的APA調(diào)控的具體分子機(jī)制仍有待進(jìn)一步闡明，揭示這些分子機(jī)制對(duì)于理解染色質(zhì)RNA互作調(diào)控網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要。
2024年3月19日，浙江大學(xué)生命科學(xué)研究院方東課題組在Nucleic Acids Research雜志上在線發(fā)表了題為“FUS reads histone H3K36me3 to regulate alternative polyadenylation”的研究論文，揭示了FUS蛋白通過(guò)H3K36me3在染色質(zhì)上的招募機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)FUS蛋白發(fā)生突變時(shí)，它與染色質(zhì)的結(jié)合減弱，而與RNA的結(jié)合顯著增強(qiáng)（圖1）。這種改變導(dǎo)致了全基因組范圍內(nèi)終止密碼子遠(yuǎn)端的多聚腺苷酸化位點(diǎn)選擇性增加，進(jìn)而觸發(fā)了線粒體活性的異常提升。這一發(fā)現(xiàn)為理解FUS在基因表達(dá)調(diào)控中的作用提供了新的視角，并對(duì)相關(guān)疾病的發(fā)病機(jī)制提出了新的解釋。
圖1 H3K36me3在APA選擇中招募FUS功能的模型
為了研究H3K36me3如何調(diào)節(jié)聚腺苷化，研究者首先篩選出FUS為識(shí)別H3K36me3并具有mRNA結(jié)合能力的蛋白質(zhì)。H3K36me3的缺失會(huì)導(dǎo)致FUS從染色質(zhì)上解離，進(jìn)而增強(qiáng)了FUS與mRNA的相互作用。為了精確測(cè)定poly(A)長(zhǎng)度及位點(diǎn)，研究者設(shè)計(jì)了一個(gè)發(fā)卡結(jié)構(gòu)的連接引物，與mRNA的poly(A)配對(duì)后的引物與RNA之間即使只有一個(gè)核酸移位，也不會(huì)發(fā)生引物與RNA的連接，從而能夠精確測(cè)定poly(A)的長(zhǎng)度及其發(fā)生位點(diǎn)，該方法命名為Bowl-seq。利用Bowl-seq，研究者發(fā)現(xiàn)當(dāng)FUS結(jié)合H3K36me3的失調(diào)會(huì)最終導(dǎo)致聚腺苷酸化位點(diǎn)選擇性的改變，傾向于選擇終止密碼子遠(yuǎn)端的位點(diǎn)。
進(jìn)一步的機(jī)制研究發(fā)現(xiàn)，FUS與H3K36me3之間的結(jié)合依賴于其ZNF結(jié)構(gòu)域的脯氨酸殘基。已知FUS蛋白的突變與肌萎縮側(cè)索硬化癥（Amyotrophic Lateral Sclerosis, ALS）的發(fā)病機(jī)制密切相關(guān)[3]，并且研究者注意到部分ALS患者中發(fā)現(xiàn)的FUS脯氨酸突變位于其識(shí)別H3K36me3的關(guān)鍵位點(diǎn)。脯氨酸殘基的突變導(dǎo)致FUS對(duì)H3K36me3的識(shí)別缺失，引發(fā)小鼠胚胎干細(xì)胞線粒體的過(guò)度激活和高度分化。
總之，研究成果揭示了FUS作為一種關(guān)鍵的H3K36me3解讀蛋白，對(duì)細(xì)胞內(nèi)選擇性聚腺苷化（APA）過(guò)程的調(diào)節(jié)作用。這些發(fā)現(xiàn)為理解FUS蛋白突變?cè)诩∥s側(cè)索硬化癥（ALS）中的作用機(jī)制提供了新的線索。
方東課題組賈竣棋、樊浩楠、宛心怡為共同第一作者。方東研究員為通訊作者。該研究得到了浙江大學(xué)生命科學(xué)研究院黃俊教授的大力支持，獲得了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、浙江省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。
參考文獻(xiàn)
1.Tian, B. and Manley, J.L. (2017) Alternative polyadenylation of mRNA precursors. Nat Rev Mol Cell Biol, 18, 18-30.
2.Mitschka, S. and Mayr, C. (2022) Context-specific regulation and function of mRNA alternative polyadenylation. Nat Rev Mol Cell Biol.
3.Kwiatkowski, T.J., Jr., Bosco, D.A., Leclerc, A.L., Tamrazian, E., Vanderburg, C.R., Russ, C., Davis, A., Gilchrist, J., Kasarskis, E.J., Munsat, T. et al. (2009) Mutations in the FUS/TLS gene on chromosome 16 cause familial amyotrophic lateral sclerosis. Science, 323, 1205-1208.
原文鏈接：https://doi.org/10.1093/nar/gkae184
