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RNA聚合酶是細(xì)胞中的“CPU”。它們“讀取”細(xì)胞“硬盤”DNA，然后輸出各種生命“操作”。在動植物細(xì)胞中，一共有5種RNA聚合酶。其中，核糖體RNA聚合酶、信使RNA聚合酶、轉(zhuǎn)運(yùn)RNA聚合酶的結(jié)構(gòu)，已經(jīng)被歐美科學(xué)家破解。而解析只存在于高等植物細(xì)胞中的第4種RNA聚合酶——Pol IV結(jié)構(gòu)的榮譽(yù)，歸于中國科學(xué)家。

中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心張余研究團(tuán)隊(duì)和王佳偉研究團(tuán)隊(duì)，以及浙江大學(xué)馮鈺團(tuán)隊(duì)合作，解析了Pol IV-RDR2蛋白復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)，并提出了Pol IV-RDR2以雙鏈DNA為模板合成雙鏈RNA的獨(dú)特分子機(jī)制。相關(guān)論文12月24日在《科學(xué)》以Research Article形式發(fā)表。

據(jù)悉，在高等生物基因組中廣泛存在一種名為“轉(zhuǎn)座子”的片段。轉(zhuǎn)座子能夠在宿主基因組中“復(fù)制和粘貼”自己的DNA，以達(dá)到自我“繁殖”的目的。轉(zhuǎn)座子最早由美國遺傳學(xué)家Barbara McClintock（1983年諾貝爾生理學(xué)及醫(yī)學(xué)獎）在玉米基因組中發(fā)現(xiàn)，它在高等生物基因組中廣泛存在。轉(zhuǎn)座子能夠在宿主基因組中“復(fù)制和粘貼”自己的DNA，以達(dá)到其自我“繁殖”的目的。轉(zhuǎn)座子的活動會對基因組的穩(wěn)定性構(gòu)成嚴(yán)重威脅，高等生物通過給轉(zhuǎn)座子DNA打上一個甲基的化學(xué)烙印，抑制轉(zhuǎn)座子的活動，從而維持基因組的穩(wěn)定性。對此植物演化出了一條RNA導(dǎo)向的DNA甲基化途徑（植物RdDM途徑）來完成DNA的甲基化工作。在該途徑中，兩種執(zhí)行不同功能的蛋白質(zhì)機(jī)器Pol IV和RDR2，它們協(xié)作生產(chǎn)一段雙鏈的向?qū)NA分子，隨后該向?qū)NA能夠幫助植物細(xì)胞精準(zhǔn)地給轉(zhuǎn)座子DNA加上甲基化烙印。雖然PolIV和RDR2已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)多年，然而這兩種轉(zhuǎn)錄機(jī)器的內(nèi)部構(gòu)造和如何協(xié)同工作尚未闡明。

Pol IV是植物細(xì)胞核編碼的第四種RNA聚合酶，與真核生物的PolI、 PolⅡ和PolⅢ相比，其基因組轉(zhuǎn)錄區(qū)域、相互作用轉(zhuǎn)錄因子、工作方式、以及生理功能都有顯著區(qū)別。近30年來，PolI, PolⅡ和PolⅢ的三維結(jié)構(gòu)陸續(xù)得到解析，然而PolIV的三維結(jié)構(gòu)和工作方式仍然尚未得到解答。

Pol IV和RDR2很像兩個分管不同RNA合成工作的獨(dú)立車間，研究發(fā)現(xiàn)它們很聰明地合并在一起，并在兩個原本獨(dú)立的車間之間建造了一個內(nèi)部通道。Pol IV合成車間的工作是以雙鏈DNA為模板合成單鏈RNA，合成出的單鏈RNA產(chǎn)物就可以通過內(nèi)部通道直接傳送到RDR2的合成車間，從而RDR2能夠直接以單鏈RNA為模板，合成雙鏈RNA。據(jù)此，研究人員提出蛋白質(zhì)機(jī)器Pol IV- RDR2復(fù)合物就像一個高效合成雙鏈RNA的工廠，以雙鏈DNA為模板，在蛋白機(jī)器內(nèi)部傳遞單鏈RNA中間產(chǎn)物，連續(xù)高效地合成雙鏈RNA。

該項(xiàng)研究成功解析了真核生物第四個RNA聚合酶的結(jié)構(gòu)，報道了雙RNA聚合酶復(fù)合物的獨(dú)特構(gòu)造和協(xié)同工作機(jī)制，提出了轉(zhuǎn)錄蛋白質(zhì)機(jī)器的新型工作模式。該研究成果是分子生物學(xué)和植物科學(xué)基礎(chǔ)前沿領(lǐng)域的一項(xiàng)重大突破。

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