南科大杜嘉木课题组在Science发文揭示植物DNA甲基化领域新进展

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由RNA聚合酶所完成的遗传信息自DNA至RNA的传递是中心法则的重要过程。在真核生物中，除了经典的RNA聚合酶I（Pol I）、Pol II、Pol III之外，在植物中有两类特殊的RNA聚合酶：Pol IV和Pol V，特异性生成非编码RNA，通过植物特有的RNA指导的DNA甲基化（RdDM）通路指导DNA甲基化的发生。其中Pol IV主要和RDR2共同合成双链RNA由DCL3切割生成上游信号siRNA，而Pol V则负责在下游生成长非编码RNA（lncRNA）作为支架招募下游的DNA甲基化酶和基因沉默因子。因此与其他RNA聚合酶相比，Pol V是一种不以生产并释放RNA产物为目的，而是以染色质定位为主要目的的RNA聚合酶。其自身的动态转录和静态染色质定位形成了鲜明的矛盾。

在前期解析了上游siRNA生物合成中DCL3的作用机制的基础上，南方科技大学生命科学学院教授杜嘉木课题组进一步针对RdDM下游Pol V独特的性质开展研究取得了重大突破，近日以“Structure and mechanism of the plant RNA polymerase V”为题在线发表在Science杂志上。

Pol V在植物体内丰度非常低，不适宜于开展结构测定工作，研究人员经过多年的探索，在中科院院士曹晓风研究员的建议下，采用食用花菜作为原料纯化并解析了Pol V的高分辨率冷冻电镜结构。尽管整体结构与其他RNA聚合酶类似，Pol V在活性位点体现出独特的性质。在RNA聚合酶打开双链DNA底物的位点，Pol V的第二个亚基NRPE2利用一个酪氨酸卡在DNA双链打开的位置，阻滞了DNA的向前行进。酶活实验也证实DNA的转录在双链打开处有明显的转录停顿现象。

此外，与大多数RNA聚合酶中非模版链DNA较为松散不同，Pol V中非模版链DNA被其NRPE2亚基紧密结合，NRPE2亚基如同转录的刹车板一样，阻滞转录的同时还增强了Pol V的转录回溯，与Pol II相比，造成强烈的RNA产物降解，如果破坏了Pol V与非模版链的互作，则可大大减弱这种回溯降解。因此，Pol V利用了多种机制，一方面阻碍转录的行进，另一方面增强回溯，造成了其转录产物在染色质上踟蹰不前，防止转录完成造成的染色质脱落，更好的行使了染色质定位的功能。

总体来讲，该工作解析了最后一种结构未知的真核RNA聚合酶，Pol V，的功能机制，提出其通过滞留在染色质上而招募下游作用因子引起DNA甲基化和基因沉默的工作模型。

南科大生命科学学院博士生谢国辉、高级研究学者杜璇和访问学者胡泓淼为该论文共同第一作者，南科大为论文第一单位，杜嘉木为论文的通讯作者，加州大学洛杉矶分校院士Steven E. Jacobsen、中国科学院遗传发育所院士曹晓风和深圳大学教授李思思参与了课题。该工作得到了深圳市科创委、中国博士后基金会、国家自然科学基金及中科院的支持，冷冻电镜数据采集和质谱实验分别获得了南方科技大学冷冻电镜中心和分析测试中心的支持。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf8231