我国科学家率先破解植物中独特的双链RNA合成机制

中国科学院分子植物科学卓越创新中心张余研究团队和王佳伟研究团队以及浙江大学冯钰团队合作，解析了Pol IV-RDR2蛋白复合物的三维结构，并提出了Pol IV-RDR2以双链DNA为模板合成双链RNA的独特分子机制。相关论文2021年12月24日在《科学》以Research Article形式发表。

RNA聚合酶是细胞中的“CPU”

它们“读取”细胞“硬盘”DNA

然后输出各种生命“操作”

在动植物细胞中

一共有5种RNA聚合酶

其中，核糖体RNA聚合酶、

信使RNA聚合酶、

转运RNA聚合酶的结构

已经被欧美科学家破解

而解析只存在于

高等植物细胞中的第4种RNA聚合酶

——Pol IV结构的荣誉

归于中国科学家

第4种细胞“CPU”

“植物细胞中独有的RNA聚合酶在2005年才发现的。其中，第4种RNA聚合酶发挥了导航甲基化的作用，第5种RNA聚合酶参与了甲基化‘装置’的合成。”张余介绍说，甲基化是高等生物细胞进化出的维持基因组稳定的一种手段。

在高等生物基因组中广泛存在一种名为“转座子”的片段。转座子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。

在带来基因变异和进化的同时，转座子的活动会对基因组的稳定性构成严重威胁。而高等生物通过给转座子DNA打上一个甲基的化学烙印，抑制转座子的活动。

在植物中，由RNA导向的DNA甲基化途径完成了DNA的甲基化工作。在该途径中，两种执行不同功能的蛋白质机器Pol IV和RDR2，它们协作生产一段双链的向导RNA分子，随后该向导RNA能够帮助植物细胞精准地给转座子DNA加上甲基化烙印。

多年来，全球科学家们一直试图解开第4和第5种RNA聚合酶的结构。但难度在于，它们的含量实在太低了。“Pol IV在植物2万种植物蛋白质中，仅占有总重量的百万分之一。”年轻的PI张余说，与其他国际科研团队一样，他的课题组也在RNA聚合酶提纯的难关前踌躇不前了3-4年。

多学科交叉带来突破

研究的转机出现在一次中饭中。“我跟张余聊天，发现他卡在了蛋白质提纯的环节，就建议他可以尝试‘植物悬浮细胞系纯化蛋白’的路径。”王佳伟对当时的对话记忆犹新，“其实，当时我对这条路径能否提取RNA聚合酶也没有底，毕竟以前没有科研团队能做出来。但我认为，这条路径是有优势的。”

高等植物中经典的RdDM途径通路 (1)

植物悬浮细胞系纯化蛋白的巧妙之处在于，先给Pol IV和RDR2复合物稳定结合上一个带有蛋白质纯化标签的亚基，这个外源亚基能够与复合物的其他内源亚基形成复合物，最终通过蛋白质纯化标签将这个复合物分离纯化出来。与价格高昂的动物培养液相比，植物培养液价格便宜，适用于大规模培养悬浮细胞。

结果令人欢欣鼓舞。研究团队成功地纯化分离出高质量的Pol IV和RDR2蛋白质样品。这也表明，“植物悬浮细胞系纯化蛋白”可以有效地提取植物中低丰度蛋白样品。

“中心给了年轻科研人员良好的科研合作机会。”张余感慨说，当他把提纯和解析Pol IV的研究结果在今年的一次学术会议上报告时，让解析了细胞“CPU”1、2、3号结构的国外科学家们惊叹不已。这些顶尖的国际科研团队也在竞争解析细胞“CPU”4号的荣耀。而得益于“中心的多学科交叉”，王佳伟帮助张余“解决了瓶颈问题”。

高效的自然结构令人赞叹

“当我们看到电镜下的Pol IV和RDR2复合物结构时，都在为生命的神奇而惊叹，也深深感受到科学研究的快乐。”王佳伟和张余不约而同地认为，这一刻比论文发表时更让他们感到开心。

Pol IV-RDR2全酶的复合物结构（左）以及Pol IV-RDR2 转录延伸复合物（右）的三维结构

Pol IV和RDR2就像两个分管不同RNA合成工作的独立车间。在两者之间，有一个内部通道巧妙地将它们连接在一起。当Pol IV以双链DNA为模板合成单链RNA之后，这条单链RNA产物通过内部通道直接传送到RDR2的合成车间。而RDR2直接以单链RNA为模板，合成双链RNA。

“这是一个颠覆了之前设想的精巧结构，简洁而高效。”王佳伟形容说，“以前我们认为，需要先在Pol IV合成一条链，再从外部进入RDR2合成双链。但现实中Pol IV和RDR2就像是自动双面打印机，一面打印完，不需要拿出来翻面，而是直接在内部打印了另一面。”

这一发现提出了转录蛋白质机器的新型工作模式，是分子生物学和植物科学基础前沿领域的一项重大突破。

如今，中国科学家团队正在全力冲击解析细胞“CPU”5号的荣誉。

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作者：耿挺

编辑：谢春燕

来源：上观