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真核细胞中，核膜将贮存遗传信息的DNA与翻译遗传信息的核糖体分隔在细胞核与细胞质中。由RNA介导的遗传信息跨核膜传递为所有真核生物生命活动所必需。新生pre-mRNA在细胞核内完成一系列复杂加工后，成熟mRNA被转运到细胞质中进行翻译。mRNA出核转运与pre-mRNA加工过程相互偶联，确保遗传信息的精准表达。细胞核中普遍存在RNA质量监控系统，可快速识别并降解携带错误遗传信息的或异常的mRNA，从而保证遗传信息的准确传递。新生RNA被快速、准确地分选到出核或降解通路是遗传信息高效、精准传递的基本保证，具有重要的生物学意义。 程红课题组主要围绕“新生RNA出核和降解的命运决定与调控”这一基因表达领域的关键科学问题，就“mRNA出核与加工的复杂关联”、“RNA的质量控制和核内降解及其调控”这两个研究方向，开展了深入系统的研究，取得了一系列前沿性进展。仅在2019年，程红课题组就已在Mol Cell、Genes Dev、EMBO J和PNAS 杂志上先后发表了4篇研究论文。 关于mRNA出核与加工的关联，已有工作多数集中在mRNA加工如何影响mRNA出核转运方面，对于出核因子如何反向调控转录、mRNA加工等基因表达上游步骤的研究还极其有限。程红课题组基于前期关于出核因子ALYREF结合在mRNA 3'端区域的发现，推测mRNA出核因子可能参与调控3'端加工[1]。 与田斌研究组合作，于2月25日在Mol Cell 上发表了题为“The mRNA export receptor NXF1 coordinates transcriptional dynamics, alternative polyadenylation, and mRNA export”的研究论文。该研究利用3'测序技术，发现当下调mRNA出核受体NXF1或TREX复合体组分的表达时，近端polyA位点被广泛优先使用，产生具有短3'非翻译区的mRNA异构体，其中以NXF1的作用最为显著。通过系统分析3'测序结果，鉴定到了两种全新调控可变加尾的基因特征：基因尺寸和3'外显子的AT丰度。 进一步的机制探索发现，NXF1结合在活跃转录的基因上并与RNA聚合酶II互作，显著促进其在基因3'端的转录延伸，这与NXF1辅助远端polyA位点使用的功能高度吻合。在成熟mRNA上，NXF1通过与3'加工因子CFI互作，结合长3'非翻译区异构体的UGUA元件，并促进其出核转运[2]。 此项工作发现了NXF1协同mRNA转录延伸、可变加尾和出核转运的关联性功能模式，揭示了其在基因表达网络中的中心枢纽作用（图1）。 图1.NXF1协同调控转录延伸、可变加尾和mRNA出核转运过程 在真核细胞中，绝大多数的mRNA具有polyA尾。编码组蛋白的mRNA (histone mRNA)是唯一一类无polyA尾的mRNA，其3'端以高度保守的茎环结构结尾。Histone mRNA编码的组蛋白在核小体组装、细胞增殖等重要生物学过程中发挥关键作用[3-4]。 3月11日，程红课题组在EMBO J上在线发表了题为“ALYREF links 3'-end processing to nuclear export of non-polyadenylated mRNAs”的研究论文[5]。通过对前期ALYREF-iCLIP数据的深度挖掘，发现ALYREF不仅结合polyA+ mRNA，还广泛而特异地结合在histone mRNA的茎环结构区域，并在其加工和出核过程中均发挥重要功能：一方面ALYREF通过与核心加工因子直接互作辅助其招募，从而激活3'端加工；另一方面，ALYREF通过招募出核受体NXF1，促进histone mRNA的出核转运。非常有趣的是，3'端加工显著促进ALYREF的招募和histone mRNA的出核（图2）。 此项工作揭示了mRNA出核因子ALYREF协同调控histone mRNA加工和出核的功能机制，推进了对组蛋白基因表达调控的理解。重要的是，该工作与前述关于NXF1的研究发现[2]，共同揭示了RNA出核因子通过协同RNA加工和出核，反向调控新生转录本命运的普遍规律，这种反向调控可能对于遗传信息的精准表达至关重要。 图2. ALYREF协同调控histone mRNA的加工和出核 基于以上工作及已有研究，mRNA加工与出核之间的偶联和协同关系已明确建立。为确保基因表达高效、准确地完成，细胞需要协调pre-mRNA加工和mRNA出核转运之间的平衡，然而这种平衡背后的分子机制尚不清楚。 3月28日，程红课题组在Proc Natl Acad Sci USA上在线发表了题为“A U2-snRNP-independent role of SF3b in promoting mRNA export”的研究论文[6]。SF3b作为核心剪接因子U2 snRNP的组分，在pre-mRNA剪接和3'端加工中均发挥重要功能[7-10]。该工作意外发现，SF3b广泛结合成熟mRNA，通过结合并招募重要出核因子THO，促进mRNA出核转运。非常有趣的是，SF3b以一种互斥的方式，或组装到U2 snRNP辅助pre-mRNA加工，或组装到成熟mRNP促进其出核转运（图3）。 此项工作揭示了SF3b促进mRNA出核的全新功能机制，并首次提出了mRNA加工与出核之间通过竞争达到平衡的新概念。 图3. SF3b协调mRNA加工和出核之间的平衡 基于前期RNA出核或降解的分选机制和时空特性的发现[11-13]，程红课题组探索了RNA分选的重要调控模式。截至目前，对于RNA外切复合体（the RNA exosome complex）的研究主要集中在其辅助因子的鉴定和功能上，而对于其负向调控几乎一无所知。 与云彩红、李劲松和周宇课题组合作，程红课题组在Genes Dev上发表了题为“NRDE2 negatively regulates exosome functions by inhibiting MTR4 recruitment and exosome interaction”的研究论文，发现NRDE2是exosome的负调控因子[14]。在细胞中NRDE2主要定位在核斑小体中，与MTR4形成1∶1的复合体，抑制MTR4的招募和RNA降解，从而确保核斑小体中RNA的有效出核转运。 进一步机制研究揭示，NRDE2通过占据MTR4上的关键位点、将MTR4锁定在一种“闭合”构象这样两种方式，拮抗MTR4与CBC和ZFC3H1等多种重要招募因子间的相互作用，广泛抑制MTR4的招募。值得一提的是，NRDE2还抑制MTR4与exosome互作，提供另一重要层面的负向调控。这种NRDE2介导的exosome负向调控，对于小鼠胚胎干细胞的干性维持十分关键(图4)。此项研究发现并阐释了负调控因子NRDE2抑制exosome复合体的多层次功能机制，提供了一种RNA出核和降解的重要调控模式。 图4.NRDE2负向调控exosome复合体的多层次功能，确保RNA的有效出核转运 这些工作同时也得到了北京大学医学部黄超兰教授、上海交通大学医学院附属第九人民医院黄晶教授和雷鸣教授、生化与细胞所李党生研究员和黄旲研究员、中科院大连化物所李国辉研究员以及中科院上海营养与健康研究院金颖研究员的大力支持。 综上所述，程红课题组就“新生RNA出核和降解的命运决定与调控”这一关键科学问题进行了深入系统研究，揭示了RNA转运与降解的全新调控模式与机制，加深与拓展了对遗传信息高效、精准传递的理解，还可能为相关疾病的诊治提供新的线索和策略。 程红课题组自成立以来，持续思考并致力于回答基因表达领域里的重要科学问题，逐步完善了高效的实验体系，培养了一支团结奋进、积极进取的研究队伍，与国内外多个优秀团队建立了良好的合作关系，得到了国内RNA领域的前辈和同行的大力支持，这些都是课题得以顺利完成的重要保证。 程红，中科院上海生物化学与细胞生物学研究所研究组长、研究员、博士生导师、中科院“百人计划”和上海市“浦江人才计划”获得者。 1998年毕业于中国医科大学获医学学士学位，2003年毕业于日本神户大学获博士学位。2003年至2008年在美国哈佛大学医学院细胞生物系从事博士后研究。2008年回国，担任中科院上海生化细胞所研究员。 主要从事RNA转运与降解的机制和功能研究,旨在揭示新生RNA出核转运或核内降解命运决定的机制、调控和生物学意义。重点研究方向包括：mRNA出核与pre-mRNA加工的复杂关联；RNA的质量控制和核内降解及其调控；细胞核亚结构调控RNA出核或降解的生理病理机制。自2008年建独立实验室以来获得了一系列前沿性进展，先后在MolCell、GenesDev、EMBOJ、PNAS、JCB、NAR等国际著名学术期刊上发表多篇具有重要影响力的论文。近期发表论文被F1000Prime推荐、生物通和BioArt等专评，并被国际知名期刊Nat Rev Genet等正面引用和评述。 Reference: 1. Shi, M., etal., ALYREF mainly binds to the 5' andthe 3' regions of the mRNA in vivo. Nucleic Acids Res, 2017. 45(16): 9640-9653. 2. Chen,S., et al., The mRNA Export Receptor NXF1Coordinates Transcriptional Dynamics, Alternative Polyadenylation, and mRNAExport.Mol Cell, 2019. 3. Marzluff,W.F. and R.J. Duronio, Histone mRNAexpression: multiple levels of cell cycle regulation and importantdevelopmental consequences. Curr Opin Cell Biol, 2002. 14(6): 692-699. 4. Marzluff, W.F., Metazoan replication-dependent histone mRNAs: a dis tinct set of RNA polymerase II transcripts. Curr Opin Cell Biol, 2005, 17(3): 274-80. 5. Fan,J., et al., ALYREF links 3'-endprocessing to nuclear export of non-polyadenylated mRNAs. EMBO J, 2019. 6. Wang,K., et al., A U2-snRNP-independent roleof SF3b in promoting mRNA export. Proc Natl Acad Sci U S A, 2019. 7. Will,C.L. and R. Luhrmann, Spliceosomestructure and function. Cold Spring Harb Perspect Biol, 2011. 3(7). 8. Wang,C., et al., Phosphorylation ofspliceosomal protein SAP 155 coupled with splicing catalysis. Genes Dev,1998. 12(10): 1409-1414. 9. Kyburz A., et al., Direct interactions betweensubunits of CPSF and the U2 snRNP contribute to the coupling of pre-mRNA 3' endprocessing and splicing. Mol Cell, 2006, 23(2): 195-205. 10. Friend K., A.F. Lovejoy and J.A. Steitz, U2snRNP binds intronless histone pre-mRNAs to facilitate U7-snRNP-dependent 3'end formation. Mol Cell, 2007, 28(2): 240-252. 11. Fan,J., et al., Exosome cofactor hMTR4competes with export adaptor ALYREF to ensure balanced nuclear RNA pools fordegradation and export. EMBO J, 2017. 36(19): 2870-2886. 12. Wang,K., et al., Intronless mRNAs transitthrough nuclear speckles to gain export competence. J Cell Biol, 2018. 217(11): 3912-3929. 13. Fan,J., et al., mRNAs are sorted for exportor degradation before passing through nuclear speckles. Nucleic Acids Res,2018. 46(16): 8404-8416. 14. Wang,J., et al., NRDE2 negatively regulatesexosome functions by inhibiting MTR4 recruitment and exosome interaction. Genes Dev, 2019. |
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