功能性基因组分析揭示 O-GlcNAc 与 RNA 聚合酶 II 的特异性相互作用

《Genome Biology》：Functional genomic profiling of O-GlcNAc reveals its context-specific interplay with RNA polymerase II

为探究 DNA 结合蛋白的可逆糖基化对转录的作用，研究人员开展 O-GlcNAc 相关研究，揭示其与 RNA Pol II 的相互作用，意义重大。

　　在生命科学的微观世界里，细胞的各项活动都受到精细的调控，其中转录过程更是像一场复杂而有序的交响乐，众多分子参与其中，共同奏响生命的乐章。而在这个过程中，DNA 结合蛋白的修饰扮演着至关重要的角色。O - 连接的 β-N - 乙酰葡糖胺（O-GlcNAc）作为一种特殊的糖基化修饰，是目前已知的唯一能够修饰核蛋白的糖基化形式，它像一个神秘的舞者，穿梭于细胞核内，与众多关键分子共舞，影响着转录等重要生命活动。

然而，长期以来，科学家们对 O-GlcNAc 修饰在哺乳动物染色质中的调控功能知之甚少。这主要是因为 O-GlcNAc 修饰具有多效性，它在细胞的存活、代谢等多个方面都发挥着作用，就像一个万能钥匙，却不知道它具体打开哪扇门。同时，缺乏有效的分子探针来检测特定蛋白质的 O-GlcNAc 修饰形式，以及 O-GlcNAc 修饰对细胞存活的必要性，都使得相关研究困难重重。

为了揭开 O-GlcNAc 修饰的神秘面纱，欧洲分子生物学实验室（EMBL）的研究人员开展了一项深入的研究。他们巧妙地运用多种前沿技术，对 O-GlcNAc 修饰的蛋白质进行了全基因组分析，旨在探索 O-GlcNAc 修饰与转录之间的关系。最终，研究成果发表在《Genome Biology》上，为该领域带来了新的曙光。

研究人员在研究过程中，运用了多种关键技术。其中包括染色质免疫沉淀测序（ChIP-seq），这项技术就像是一把精准的分子剪刀，能够将与特定蛋白结合的 DNA 片段剪下来进行测序分析，从而揭示蛋白在基因组上的结合位点；还有切割并释放使用核酸酶（CUT&RUN）技术，它可以在原位对细胞核内的蛋白进行标记和切割，获取蛋白结合的 DNA 片段，进而分析蛋白在基因组上的分布情况；RNA 测序（RNA-seq）则用于检测基因的表达水平，了解不同基因在不同条件下的 “活跃度” 。

研究结果如下：

• O-GlcNAc 修饰蛋白的基因组定位：研究人员通过改进的 CUT&RUN 协议，发现 O-GlcNAc 修饰的蛋白主要定位于活性启动子和异染色质区域。在启动子区域，O-GlcNAc 修饰的蛋白与 RNA Pol II 以及一些特定的辅助因子高度共定位。这一结果表明，O-GlcNAc 修饰可能与转录起始密切相关。
• 糖基化对基因转录的影响：通过敲低 O-GlcNAc 转移酶（OGT），研究人员发现许多基因的表达发生了变化，其中直接靶基因大多下调。这说明 O-GlcNAc 修饰在维持基因的正常转录方面发挥着积极作用，它就像一个助推器，能够促进基因的表达。
• O-GlcNAc 修饰对 RNA Pol II 亚核组织的影响：利用受激发射损耗（STED）显微镜技术，研究人员观察到在胚胎干细胞（ESCs）分化为神经元祖细胞（NPCs）的过程中，O-GlcNAc 修饰的去除会导致 RNA Pol II 簇的荧光强度增加。这表明 O-GlcNAc 修饰在细胞分化过程中对 RNA Pol II 的空间组织和聚集状态具有调节作用。
• RNA Pol II 依赖的糖基化：在人类结直肠癌细胞（DLD-1）中，研究人员通过快速降解 RNA Pol II，发现 O-GlcNAc 修饰水平在不同启动子区域发生了变化。有些启动子区域的 O-GlcNAc 修饰水平下降，而有些则上升。这揭示了局部糖基化依赖于 RNA Pol II 或转录过程，它们之间存在着复杂的相互作用。

研究结论和讨论部分指出，该研究首次对小鼠和人类细胞中 O-GlcNAc 修饰的蛋白质进行了详细的基因组分析，揭示了 O-GlcNAc 修饰与 RNA Pol II 之间存在着上下文特异性的相互作用。这种相互作用在转录起始、基因表达调控以及细胞分化等过程中都发挥着重要作用。

这项研究的意义重大。它为我们理解 O-GlcNAc 修饰在哺乳动物染色质中的功能提供了重要线索，为后续研究开辟了新的方向。同时，研究结果也可能为相关疾病的治疗提供潜在的靶点和新的思路。例如，在某些疾病中，O-GlcNAc 修饰的异常可能导致基因表达紊乱，进而引发疾病。通过深入了解 O-GlcNAc 修饰与 RNA Pol II 的相互作用机制，或许能够开发出针对这些疾病的新型治疗策略。总之，这项研究在生命科学领域具有重要的理论和实践价值，为我们探索细胞内的分子调控机制提供了宝贵的信息。