动态 O-GlcNAc 糖基化和磷酸化调控 mRNA 成熟机制的深度解析：转录调控新视角

《Journal of Biomedical Science》：Dynamic O-GlcNAcylation and phosphorylation attract and expel proteins from RNA polymerase II to regulate mRNA maturation

为解决磷酸化和 O-GlcNAc 糖基化如何影响 RNA 聚合酶 II（RNA Pol II）相关蛋白复合物组装及 mRNA 成熟的问题，研究人员开展了关于动态 O-GlcNAc糖基化和磷酸化对 RNA Pol II 驱动转录影响的研究。结果发现二者对转录有重要调节作用，这为理解转录调控机制提供了新视角。

　　在生命科学的微观世界里，转录过程就像一场精密的交响乐演奏，而 RNA 聚合酶 II（RNA Pol II）则是这场演奏的 “指挥家”。磷酸化和 O-GlcNAc 糖基化是调节 RNA Pol II “指挥” 的重要 “信号”。然而，目前对于抑制参与这些修饰的酶活性，会如何影响 RNA Pol II 相关蛋白复合物的组装以及 mRNA 的成熟，还没有系统性的研究。

为了深入探索这些未知，来自芬兰赫尔辛基大学（University of Helsinki）的研究人员 Aishwarya Gondane 和 Harri M. Itkonen 开展了相关研究。他们的研究成果发表在《Journal of Biomedical Science》上。

研究人员运用了多种技术方法来开展此项研究。首先，通过质谱（mass spectrometry）技术系统评估 RNA Pol II 相互作用组的重塑情况；利用 SLAM-seq（thiol (SH)-linked alkylation for metabolic sequencing of RNA，基于硫醇连接的烷基化代谢测序技术）研究新生 mRNA 的成熟。同时，还借助了免疫沉淀（immunoprecipitation）、Western blotting（蛋白质免疫印迹）、IPAfinder 分析内含子多聚腺苷酸化（intronic polyadenylation，IPA）位点以及 Seahorse 分析线粒体通量等技术。样本来源于 LNCaP、22RV1 和 C4-2 细胞系，这些细胞系均购自美国组织培养物保藏中心。

下面来看具体的研究结果：

• 高 OGT 活性阻止蛋白质与 RNA Pol II 结合：研究人员使用小分子抑制剂 OSMI-4 和 Thiamet G 分别抑制 O-GlcNAc 转移酶（OGT）和 O-GlcNAcase（OGA）的活性。实验发现，抑制 OGT 活性导致 RNA Pol II 相互作用蛋白显著增加，而抑制 OGA 活性则减少了相互作用蛋白的数量。通过进一步分析，发现 OGT 抑制增加了与转录正调控因子的相互作用，同时减少了与中介体复合物相关蛋白的结合。此外，还发现 HMG-Box 转录因子 1（HBP1）在 OGT 和 OGA 抑制时与 RNA Pol II 的结合均显著增加，但由于缺乏选择性靶向 HBP1 的抑制剂，无法进一步探究其机制。
• 抑制 OGT 或 OGA 可促进 mRNA 成熟：利用 SLAM-seq 技术，研究人员发现抑制 OGT 或 OGA 均可促进 mRNA 成熟。抑制 OGT 对 mRNA 成熟的影响较小，进一步研究发现，OGT 抑制可选择性增强 SP1 调控基因的转录。而抑制 OGA 则对长基因和中等长度基因的转录有促进作用，且高 O-GlcNAc 糖基化水平对长基因和复杂基因的转录延伸起正调控作用。
• 前列腺癌细胞中 mRNA 的生物合成在很大程度上与 CDK7 无关：使用针对细胞周期蛋白依赖性激酶 CDK7、CDK9 和 CDK12/13 的特异性小分子抑制剂，研究发现抑制这些激酶的活性会减少与 RNA Pol II 结合的蛋白数量。其中，CDK7 抑制对 RNA Pol II 相互作用蛋白和 mRNA 成熟的影响较小，这与以往基于传统 RNA-seq 的研究结果不同。
• CDK9 和 CDK12 的活性对于吸引不同的蛋白质复合物与 RNA Pol II 结合是必需的：SLAM-seq 数据显示，抑制 CDK9 或 CDK12/13 可促进短基因的转录，抑制长基因的转录。CDK12/13 抑制会导致转录负调控因子与 RNA Pol II 的相互作用减少，同时增加内含子多聚腺苷酸化，降低组蛋白 3 的乙酰化水平。而 CDK9 抑制则会显著减少 Integrator 复合物蛋白与 RNA Pol II 的相互作用，Integrator 复合物的缺失会模拟 CDK9 抑制对短基因转录的促进作用。此外，抑制这些主要转录激酶均会激活氧化磷酸化这一生物学反应，并影响线粒体活性。
• 当转录延伸存在缺陷时，OGA 对 mRNA 成熟至关重要：同时抑制 OGT 和 CDK9 或 CDK12/13 会导致 mRNA 成熟大幅下降，而抑制 OGA 可在一定程度上挽救长基因和中等长度基因在 CDK9 或 CDK12/13 抑制下的转录，但会导致内含子多聚腺苷酸化提前，使细胞对靶向 CDK9 或 CDK12/13 的化合物更敏感。

在研究结论和讨论部分，研究人员指出，OGT 和 OGA 分别是 mRNA 生物合成的负调控因子，动态 O-GlcNAc 糖基化可作为一种质量控制机制，与 RNA Pol II 磷酸化共同作用。研究还发现了 RNA Pol II 调控中前所未有的冗余性，这增加了细胞对转录应激的耐受性。此外，研究结果为理解转录起始激酶的作用提供了新的思考方向，表明转录起始可能由冗余因子催化，且不同细胞类型中可能存在差异。

这项研究具有重要意义，它为深入理解转录调控机制提供了新的视角，揭示了动态 O-GlcNAc 糖基化和磷酸化在 RNA Pol II 驱动转录中的关键作用。同时，研究结果也为开发针对转录相关疾病，如癌症的治疗策略提供了潜在的靶点和理论依据。未来，还需要进一步研究不同糖基化形式的 RNA Pol II 的作用机制，开发更精准的研究工具，如识别 RNA Pol II CTD 上特定 O-GlcNAc 糖基化氨基酸的抗体，以推动该领域的进一步发展。