刘默芳亮点推荐：小RNA与组蛋白甲基化

　　

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生物通报道：生物体内存在大量的不编码蛋白质序列的非编码RNA(noncoding RNA, ncRNA), 这些非编码RNA 广泛参与生命活动的各个过程, 包括基因表达调控、基因组稳定性维持、抵抗外源核酸侵染、个体生长发育和生殖等生理过程以及肿瘤发生等病理过程. 在真核生物中, 长双链RNA(double-stranded RNA, dsRNA)被摄取到细胞内后, 首先被一类保守性RNase Ⅲ家族核酸酶—Dicer剪切成21~23个核苷酸长度的小干扰RNA(small interfering RNA, siRNA); 生成的siRNA随即与保守性Argonaute蛋白结合, 形成RNA诱导型干扰复合物(RNA induced silencing complex, RISC); 然后, 通过碱基互补配对, siRNA 将RISC招募到具有同源序列的RNA转录本, 在转录后水平调控靶基因表达.

近日, 中国科学技术大学的光寿红研究组发现, 小干扰RNA还可以通过细胞核RNA干扰通路(nuclear RNAi defective, Nrde), 介导靶基因的组蛋白3 的赖氨酸27 的三甲基化(H3K27me3), 在表观遗传水平调控基因表达.

已有证据表明, RNA 干扰过程在细胞质和细胞核内都可以发生. 迄今为止, 小调节性RNA在细胞质中的作用机理研究得相对比较清楚, 其缄默基因表达的手段主要集中在抑制翻译和降解靶标mRNA上. 在细胞核内小调节性RNA则有多种作用方式, 而且存在明显的物种特异性. 例如, 在植物和真菌中, RNA干扰可诱导组蛋白或DNA的甲基化修饰; 在裂殖酵母(Schizosaccharomyces pombe)里, microRNA诱导中性粒区域的异染色质形成; 在哺乳动物细胞内, piRNA在生殖细胞的细胞核内诱导组蛋白3赖氨酸9的三甲基化(H3K9me3)和DNA的甲基化修饰; 也有报道认为, microRNA 可以调控启动子区域转录活性, 或者调控转录过程中基因的选择性剪切.

光寿红研究组致力于细胞核内RNA干扰的分子机理研究. 他们在模式生物秀丽线虫(Caenorhabditis elegans)中发现, 小干扰RNA可以通过结合一个Argonaute蛋白Nrde-3转运到细胞核内, 并进一步在细胞核内结合正在被转录的前mRNA(pre-mRNA), 然后依次将Nrde-2, Nrde-1 和Nrde-4 招募到pre-mRNA上, 诱导靶位点H3K9的三甲基化修饰和RNA聚合酶Ⅱ在转录延伸过程中的暂停, 并进一步抑制转录延伸, 造成转录的提前终止. 这一通路还可以介导RNA干扰现象的多代遗传.

光寿红组最新研究工作进一步揭示了小干扰RNA介导H3K27me3修饰并维持的分子机制. 小干扰RNA可诱导产生序列特异性的染色质修饰, 这一过程依赖于Nrde通路. 利用模式生物秀丽线虫, 他们发现外源和内源性的小干扰RNA都可通过Nrde通路, 实现基因靶向位点的H3K27甲基化修饰, 而且这一修饰可以在线虫体内多代遗传. 内源性的小干扰RNA介导的染色质修饰也具有高度的序列特异性. piRNA 和蠕虫特异性Argonaute-1 蛋白(worm-specific Argonaute-1, WAGO-1)结合的22G小干扰RNA可诱导产生依赖于Nrde-2的H3K27的三甲基化修饰, 然而线虫Argonaute蛋白CSR-1结合的内源性小RNA却不能诱导H3K27甲基化修饰发生.

但是, 当对线虫喂食靶向CSR-1靶标位点的外源性双链RNA时, 在CSR-1的靶标位点上可以产生特异性的H3K27的三甲基化. 有趣的是, 小干扰RNA诱导H3K9me3和H3K27me3形成所需要的遗传通路是不同的, 二者在细胞核内RNA干扰过程中可能具有不同的分子机制. 例如, set-25和met-2对于H3K9的甲基化是必需的, 而mes-2对于H3K27的甲基化是必需的, 但它们都共同依赖于上游的Nrde通路.

这一工作还表明, 组蛋白H3K27me3在小RNA介导的基因沉默中具有重要功能. 首先, mes-2是线虫体内唯一已知的H3K27甲基转移酶, 当mes-2基因缺失突变时, 会导致核内RNA干扰缺陷表型; 其次, mes-2突变体具有母系不育的表型, 而Nrde通路中的关键因子nrde-2突变体也具有后代数量逐代减少的表型; 最后, Nrde通路参与到RNA干扰的多代遗传, 而mes-2也参与基因抑制标记的表观遗传.

在过去几年里, 尽管对多细胞真核生物中核内小干扰RNA如何调控基因表达有了些初步的了解, 但其中还有大量的问题有待回答, 包括细胞核RNA干扰如何造成组蛋白甲基化和RNA聚合酶Ⅱ的转录延伸暂停? 它们之间的关系是什么? 等等, 这些过程的调控通路及分子机制仍然有待进一步的研究探索.

原文检索：

刘默芳. 小RNA介导组蛋白3赖氨酸27的三甲基化(H3K27me3). 中国科学: 生命科学, 2015, 45: 1258–1259
Liu M F. Small RNAs instruct histone H3 lysine 27 trimethylation in Caenorhabditis elegans. SCIENTIA SINICA Vitae, 2015, 45: 1258–1259, doi: 10.1360/N052015-00311