徐彥輝/陳飛合作團(tuán)隊(duì)《Science》報(bào)道新的轉(zhuǎn)錄調(diào)控復(fù)合物INTAC并揭示其結(jié)構(gòu)和功能
基因表達(dá)的精密調(diào)控，對(duì)生命體的形成、發(fā)育以及各種生物學(xué)功能的維持至關(guān)重要；基因表達(dá)的紊亂與各種疾病的發(fā)生息息相關(guān)。盡管過去圍繞基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制已經(jīng)有相對(duì)清晰的認(rèn)識(shí)，然而圍繞RNA聚合酶II 的C端結(jié)構(gòu)域（CTD）的動(dòng)態(tài)調(diào)控特別是轉(zhuǎn)錄抑制機(jī)制仍然知之甚少。
2020年11月27日，我院徐彥輝團(tuán)隊(duì)與陳飛團(tuán)隊(duì)合作在Science雜志發(fā)表了研究長(zhǎng)文（Research Article）“Identification of Integrator-PP2A complex (INTAC), an RNA Polymerase II phosphatase”。該項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)了一個(gè)全新的轉(zhuǎn)錄調(diào)控復(fù)合物 INTAC（包含16個(gè)蛋白亞基，總分子量近1.5兆道爾頓），解析了INTAC的高分辨冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，揭示了INTAC作為一個(gè)雙功能酶同時(shí)具備RNA剪切和去磷酸化活性，可去除Pol II的多個(gè)CTD磷酸化位點(diǎn)發(fā)揮轉(zhuǎn)錄抑制功能。該項(xiàng)研究首次發(fā)現(xiàn)PP2A這一最重要的磷酸酶可直接調(diào)控轉(zhuǎn)錄，突破了以往的相關(guān)認(rèn)知，拓展了磷酸酶與轉(zhuǎn)錄調(diào)控這兩個(gè)重要研究領(lǐng)域的研究范疇。
Integrator復(fù)合物含有14個(gè)亞基（分子量1.4兆道爾頓），能夠通過結(jié)合Pol II剪切多種RNA并調(diào)控轉(zhuǎn)錄。研究團(tuán)隊(duì)在開展Integrator結(jié)構(gòu)研究過程中，發(fā)現(xiàn)Integrator和PP2A核心酶（PP2A-AC）有較強(qiáng)的相互作用。通過系統(tǒng)生化和結(jié)構(gòu)研究，驗(yàn)證了二者形成穩(wěn)定的功能復(fù)合物，并將其命名為INTAC（Integrator-containing PP2A-AC），屬于非經(jīng)典的PP2A全酶復(fù)合物（見下圖右上）。
圖注：INTAC復(fù)合物的分子組成和工作模型。（左上）經(jīng)典的蛋白磷酸酶2（PP2A全酶）的分子組成示意圖，A、B和C分別代表PP2A全酶的結(jié)構(gòu)亞基，調(diào)節(jié)亞基和催化亞基。PP2A全酶可間接調(diào)控轉(zhuǎn)錄。（右上）INTAC復(fù)合物的分子組成示意圖和電鏡密度圖。復(fù)合物由四個(gè)模塊組成，可直接調(diào)控轉(zhuǎn)錄。（底部）INTAC復(fù)合物結(jié)合RNA聚合酶Pol II并去除Pol II CTD的第2、5和7位絲氨酸的磷酸化，進(jìn)而抑制轉(zhuǎn)錄過程。而磷酸酶活性的損失則增加了Pol II磷酸化的水平，從而導(dǎo)致INTAC目標(biāo)基因失調(diào)的轉(zhuǎn)錄。
PP2A是人體中最重要的蛋白質(zhì)磷酸酶之一，在某些組織中其含量甚至達(dá)到總蛋白量的1%。在細(xì)胞內(nèi)調(diào)控多種生命過程并參與多種疾病的發(fā)生，但以往沒有PP2A直接參與轉(zhuǎn)錄調(diào)控的報(bào)道。研究團(tuán)隊(duì)解析了INTAC的高分辨結(jié)構(gòu)（整體分辨率3.5 Å），發(fā)現(xiàn)核酸酶（Endonuclease）和磷酸酶（Phosphatase）這兩個(gè)催化模塊分布在核心的骨架模塊兩側(cè)。進(jìn)一步的生化研究發(fā)現(xiàn)，INTAC中的PP2A-AC去除Pol II CTD磷酸化并抑制轉(zhuǎn)錄活性。其中Integrator作為非經(jīng)典的調(diào)控亞基，招募Pol II，使PP2A-AC發(fā)揮去磷酸化活性。INTAC的磷酸酶與核酸酶的活性分別調(diào)控轉(zhuǎn)錄的不同過程，即核酸酶活性主要調(diào)控基因的啟動(dòng)子近端終止，而去磷酸化酶活性則能夠同時(shí)抑制暫停Pol II的釋放和轉(zhuǎn)錄延伸。
總的來說，該項(xiàng)工作明確了PP2A直接調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄，不僅拓展了轉(zhuǎn)錄調(diào)控和PP2A相關(guān)領(lǐng)域的研究邊界，還對(duì)靶向PP2A的藥物開發(fā)提出了重要的指導(dǎo)。特別需要指出的是，以往基于PP2A的靶向藥物開發(fā)都只關(guān)注其參與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)控的作用，后續(xù)的靶向藥物開發(fā)就需要從該研究中獲得啟示考慮到其直接調(diào)控轉(zhuǎn)錄的功能。
值得一提的是，上述工作也是徐彥輝課題組繼2020年初在Science上發(fā)表研究長(zhǎng)文揭示人源BAF復(fù)合物的染色質(zhì)重塑機(jī)制之后，在轉(zhuǎn)錄調(diào)控相關(guān)結(jié)構(gòu)功能研究中取得的又一次重大成果。
博士后鄭海、生物醫(yī)學(xué)研究院2017級(jí)博士生戚軼倫、研究助理胡士斌博士、博士后徐從玲、中科院上海營(yíng)養(yǎng)與健康研究院博士后曹璇為本文共同第一作者，徐彥輝和陳飛為共同通訊作者。
原文鏈接：https://doi.org/10.1126/science.abb5872
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