转座子(transposon)由冷泉港实验室Barbara McClintock(诺贝尔奖)首先在玉米中发现【1】。转座子又被称为“跳跃基因”,类似于内源性病毒,能够在宿主基因组中“复制和粘贴”自己的DNA,以达到其自我“繁殖”的目的。转座子的“跳跃”可能会产生基因组不稳定性,并导致动物不孕不育。有多种调控机制沉默转座元件并维持基因组完整性,例如如组蛋白修饰和DNA的甲基化等。为了抵抗转座子,动物的生殖系统进化出了一类小非编码RNA——piRNA(Piwi-Interacting RNA)——来严格调控转座子的表达【2】。概念上,真核生物的piRNA通路在功能上类似于原核生物的CRISPR系统。
piRNA簇(piRNA cluster)表达的piRNA长度大约在24到31nt之间,通过与PIWI家族蛋白(Argonaute家族蛋白的一个亚家族)形成piRISC复合物(piRNA induced silencing complex)而起作用。piRISC复合物能在转录(TGS,Transcriptional gene silencing)和转录后水平的沉默转座子(PTGS,Post-transcriptional gene silencing)【3】。PTGS主要通过“乒乓循环”(ping-pong cycle)在切割piRNA靶标的同时产生更多的新生piRNA,从而形成类似“先天免疫系统”的正反馈,在细胞质层面降解转座子RNA。TGS是在转录水平沉默目标转座子——最终结果是诱导转座子插入位点形成组成型异染色质。转座子的沉默通常跟组蛋白修饰(H3K9me3)有很强的相关性【3】。目前认为,Piwi/piRNA复合物通过转座子新生RNA招募Panoramix(Panx)【4-5】,并最终导致转座子区域异染色质的形成,该过程需要H3K9me3甲基化转移酶SetDB1/Eggless和H3K4me3去甲基化酶LSD1。
2019年9月30日,中科院生物物理所俞洋团队和上海生化细胞所黄旲团队(现上海交大医学院)在Nature Cell Biology杂志上以长文形式在线发表了题为A Pandas complex adapted for piRNA-guided transcriptional silencing and heterochromatin formation的研究,该工作在俞洋/Hannon之前的工作基础上【4】进一步深入阐明了piRNA介导的转座子异染色质形成的分子机制。该研究发现,生殖细胞特异表达的核转运因子(NXF)家族蛋白dNxf2能与dNxt1(P15)以及Panx形成三元复合物,并通过竞争性结合阻止dNxf1(又叫TAP,是介导mRNA出核的经典接头蛋白)与核孔互作,从而导致了转座子新生RNA在核内的滞留。该文章首次证明PANDAS(Panoramix-dNxf2 dependent TAP/p15 Silencing)复合物的存在,并提出了RNA介导异染色质形成的新理论,既阻断新生RNA出核在调控异染色质过程中起核心作用,并为将来研究其它RNA介导的表观遗传调控提供指导意义(图1)。该文章的发表,也给今年四月份在BioRxiv同时上线的关于Drosophila Nxf2的四篇预印本文章之间的良性竞争画上句号【6-9】。
图1. PANDAS复合物调控转座子出核的模型。
本研究中,俞洋课题组充分利用果蝇这一模式生物的优势,综合分析针对piRNA通路的全基因组RNAi筛选结果和flybase中全蛋白组免疫沉淀质谱的大数据,再结合已建立的RNA拴住报告基因筛选体系,首先快速锁定了dNxf2在piRNA/Panx介导的转座子沉默过程中的核心作用。与此同时,俞洋课题组通过和专注于piRNA通路的结构生物学家黄旲课题组的精诚合作,解析了Panx-dNxf2互作结构域的晶体结构。作者通过晶体结构的分析发现,dNxf2的UBA结构域一方面进化出跟Panx直接互作的疏水界面,另一方面也丢失了一般NXF家族蛋白固有的结合核孔复合物的能力(从而解释了为什么dNxf2不能像dNxf1一样介导mRNA出核),为在分子层面进一步理解dNxf2的作用机制奠定了坚实基础(图2)。
图2. 比较Nxf2型和Nxf1型的UBA结构域。左边,Panx结合面;右边,NPC结合面。
由于dNxf2能跟Panx能形成相互依赖的复合物,dNxf2有着跟Panx类似的诱导基因沉默的功能,即可以通过新生RNA介导基因沉默和异染色质形成。和其它经典piRNA通路蛋白一样,dNxf2的缺失会导致动物体完全不孕不育。有趣的是,小鼠的Nxf2敲除之后在特定条件下也有不育的表型【10】。一系列分子生物学实验和遗传学(co-IP/IP mass spec,GST pull-down,Y2H,GoldCLIP等)也证实dNxf2确实是Panx介导转座子沉默过程中的核心蛋白。但是,作者在研究过程中发现,在dNxf2缺失并一同过表达Panx的条件下,转座子的H3K9me3基本保持不变。具有讽刺意味的是,在此条件下果蝇却是完全不育的,因为转座子仍然是大规模上调的。该结果也直接暗示两点:1. H3K9me3只是异染色质形成的必要非充分条件。2. dNxf2调控转座子沉默的分子机制不仅仅是招募Panx以及下游的甲基化转移酶SetDB1那么简单。
通过大量的文献阅读以及跟研究RNA出核方面的专家(程红)讨论,作者意识到如果仅是dNxf2自身失去核孔复合物结合能力并不足以解释为什么转座子RNA不能出核。dNxf2还需要阻止经典的mRNA出核通路,即通常依赖于mRNA 的5’ Cap结构招募的dNxf1(TAP)复合物。而前人研究也暗示NXF家族蛋白有能力形成异元二聚体,因此,作者大胆假设dNxf2可能通过抑制dNxf1复合物来阻止转座子mRNA的出核。令人兴奋的是,各方面数据包括co-IP,GST pull down,Split luciferase和交联质谱等都充分支持dNxf2:dNxf1能直接互作(图3)。
图3. 四方面证据证实dNxf2NTF2跟dNxf1 NTF2+UBA直接互作。
最后,作者通过体外竞争实验和体内瞬时RNA拴住实验为dNxf2抑制dNxf1介导的RNA出核功能这一假说提供了充分的证据(图4)。非常有意思的是,程红课题组最近在哺乳动物的细胞的研究表明Nxf1是RNA聚合酶Pol II有效延伸(transcription elongation)所必须的【11-12】。因此,dNxf2抑制Nxf1的后果很可能不仅仅是阻止转座子RNA的出核,很有能PANDAS会导致Pol II转录延伸的停止。虽然这个理论亟待证实,但是它可以被完美的统一在现有的piRNA介导转座子转录沉默的模型中。
图4. dNxf2通过与Nxf1竞争核孔复合物而阻止新生RNA出核。
本项研究的共同第一作者包括(排名不分先后)中科院生物物理所研究生赵康、苗娜、卢晓华,上海生化细胞所研究生程莎,吉林大学研究生徐平和复旦大学博士后张玉涵。本研究的合作者包括中科院生化细胞所程红研究员、复旦大学麻锦彪教授、北京生命研究所董梦秋研究员和吉林大学万由忠教授。中科院生物物理所俞洋研究员和上海生化细胞所黄旲研究员(现上海交通大学医学院)为共同通讯作者。
文章链接: https://www.nature.com/articles/s41556-019-0396-0
References:
1.McClintock, B. (1953) Induction of Instability at Selected Loci in Maize. Genetics. 38, 579–599
2.Kim, V. N. (2006) Small RNAs just got bigger: Piwi-interacting RNAs (piRNAs) in mammalian testes. Genes Dev. 20, 1993–1997
3.Czech, B., and Hannon, G. J. (2016) One Loop to Rule Them All: The Ping-Pong Cycle and piRNA-Guided Silencing. Trends Biochem. Sci. 0, 324–337
4.Yu, Y., Gu, J., Jin, Y., Luo, Y., Preall, J. B., Ma, J., Czech, B., and Hannon, G. J. (2015) Panoramix enforces piRNA-dependent cotranscriptional silencing. Science. 350, 339–342
5.Sienski, G., Batki, J., Senti, K.-A., D?nertas, D., Tirian, L., Meixner, K., and Brennecke, J. (2015) Silencio/CG9754 connects the Piwi-piRNA complex to the cellular heterochromatin machinery. Genes Dev. 29, 2258–2271
6.The nascent RNA binding complex SFiNX licenses piRNA-guided heterochromatin formation. (2019) bioRxiv 609693; doi: https://doi.org/10.1101/609693
7.Nuclear RNA export factor variant initiates piRNA-guided co-transcriptional silencing. (2019) bioRxiv 605725; doi: https://doi.org/10.1101/605725
8.A Pandas complex adapted for piRNA-guided transposon silencing. (2019) bioRxiv 608273; doi: https://doi.org/10.1101/608273
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10.Wang, P. J., and Pan, J. (2007) The role of spermatogonially expressed germ cell-specific genes in mammalian meiosis. Chromosome Res. 15, 623–632
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12. Co-transcriptional loading of RNA export factors shapes the human transcriptome. (2019) bioRxiv 318709; doi: https://doi.org/10.1101/318709
(供稿:俞洋研究组)
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四篇文章背靠背,俞洋/黄旲组精诚合作杀出重围,首次发现PANDAS复合物在piRNA调控异染色质形成的分子机制
本站小编 Free考研/2020-05-29
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