Genome Biology:揭示RNA聚合酶交叉調控關系和機制

真核細胞RNA聚合酶的轉錄活性于1959年由Samuel Weiss課題組利用大鼠肝臟核抽提物和四種rNTP在體外**檢測到1。1969年，當時還在讀研究生的美國生物化學家Robert Roeder 利用高鹽溶液在海膽胚胎抽提物中發現、分離和純化了三種形式的RNA聚合酶，并且按照它們在層析柱中洗脫出來的順序依次命名為RNA聚合酶I、II、III2。1970年，Chambon課題組利用α-鵝膏蕈堿（a-amanitin）抑制實驗證實存在三種不同活性的RNA聚合酶3。以蛋白質生成過程為例，核糖體RNA主要是由Pol I轉錄，核糖體蛋白的mRNA是由Pol II轉錄，tRNA是由Pol III轉錄。其中一個關鍵并且懸而未決的問題是：這三種RNA聚合酶如何協調以確保不同轉錄產物間的平衡。另外一個有意思的問題是Pol III主要轉錄tRNA，但是其突變會導致不同組織的發育異常，也就是Pol III的轉錄如何產生組織特異性的影響？

北京大學生命科學學院，北大-清華生命科學聯合中心季雄研究員課題組在Genome Biology雜志在線發表了題為“Cross?regulome profiling of RNA polymerases highlights the regulatory roleof polymerase III on mRNA transcriptionby maintaining local chromatin architecture”的研究論文。研究者**在同一種細胞內鑒定了三種RNA聚合酶的結合位點，研究了三者在全基因組水平上的交叉調控關系。研究者發現Pol III對Pol II轉錄調控影響*為廣泛，鑒于對現有交叉調控機理的系統梳理發現至少有50%以上的基因表達變化是先前模型不能解釋的，研究者提出并證實了Pol III-FACT通過局部染色質結構調控Pol II轉錄速率的新型機制。

研究者首先在小鼠胚胎干細胞中通過染色質**沉淀實驗（ChIP-seq）對Pol I、Pol II、Pol III的染色質定位進行了系統鑒定，發現三者除了分別在各自轉錄基因區存在特異性結合外，還在基因組上存在數百個臨近結合位點。進一步通過Pol I、Pol II、Pol III的誘導性蛋白質快速降解系統（degron），研究者分別降解其中一個進行另外兩個的ChIP-seq實驗，發現Pol III降解對Pol II的染色質結合的影響是其中變化*大的一組（圖1）。而且Pol I、Pol II、Pol III降解前后的新生RNA檢測實驗（PRO-seq），也證實Pol III降解會造成*多Pol II peak區的轉錄變化，因此研究者首要研究了Pol III對Pol II的轉錄調控作用。

研究者通過分析Pol III降解的PRO-seq和Pol II ChIP-seq信號在基因不同區域的變化情況，發現Pol III降解造成Pol II在一類基因內部區域的結合和轉錄信號增加，并且Pol III的其它亞基的降解也會造成類似的Pol II轉錄變化，證實Pol III對Pol II介導的特異性基因的轉錄發揮調控作用。先前有三種模型來解釋不同RNA聚合酶之間的交叉調控：1）轉錄干擾模型認為不同RNA聚合酶轉錄的基因存在重疊時，干擾彼此間的轉錄過程；2）成環模型認為不同RNA聚合酶轉錄的基因間可以通過形成染色質環彼此促進轉錄；3）非編碼RNA模型認為RNA聚合酶轉錄的非編碼RNA可以直接調控另一種RNA聚合酶轉錄機器的組裝。研究者發現至少有50%的Pol III影響的Pol II轉錄基因不能通過上述模型解釋。

為了進一步探究這類調控背后的分子機制，研究者首先比較了Pol III在染色質上的結合和其發揮調控作用的這類基因的位置關系，發現Pol III在其調控的這類Pol II轉錄基因的啟動子附近都有特異性結合，但是這些Pol III結合的位點并不是tRNA，因此意味著這些非編碼區結合的Pol III發揮著對Pol II的調控作用。通過檢測Pol III降解造成的染色質開放性和核小體占位變化（ATAC-seq），研究者發現Pol III降解特異性地造成調控基因的開放性降低，核小體占位增加。因此Pol III通過在非編碼區的結合，造成臨近的Pol II基因區的核小體占位發生變化，從而調控基因轉錄。結合定量質譜實驗，研究者鑒定出了Pol III降解造成FACT復合體與Pol II的互作減少，從而造成Pol II轉錄區的染色質結構改變并導致其轉錄速率下降，從而導致Pol II在基因內部區域堆積，并通過FACT的功能缺失實驗進一步確認了其在這一過程中發揮直接作用。

綜上，這項工作系統刻畫了不同RNA聚合酶的交叉調控關系，特別是Pol III通過在非基因區的結合，組織局部染色質結構，幫助組蛋白分子伴侶FACT復合體結合染色質，從而調控Pol II在多種功能基因區的轉錄速率。本研究也為認識RNA聚合酶的轉錄交叉調控乃至RNA聚合酶III功能失常帶來的多種組織發育異常提供了新的視角。

季雄是本文的通訊作者，北京大學生命科學學院蔣永鵬博士、黃捷博士為本論文共同**作者。西湖大學郭天南課題組為研究提供了重要幫助。該工作得到科技部國家重點研發計劃、國家自然科學基金、啟東**基金、北大-清華生命科學聯合中心、細胞增殖與分化教育部重點實驗室和北京大學博雅博士后基金的資助。北京大學鳳凰工程多個儀器平臺對本項目提供了大力支持。