生命科学
Life science
RNA聚合酶II从起始到延伸的过程部分是由作用于核心转录机制的蛋白激酶级联驱动的。相反,相应的磷酸酶,特别是PP2A和PP1—细胞中最丰富的丝氨酸-苏氨酸磷酸酶——被认为主要阻碍聚合酶的进展,分别抑制启动子处的暂停释放和终止子处的延伸。
2024年11月25日,复旦大学陈飞团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Molecular Cell在线发表题为“The phosphatase PP1 sustains global transcription by promoting RNA polymerase II pause release”的研究论文。该研究发现磷酸酶PP1通过促进RNA聚合酶II暂停释放来维持全局转录。
在后生动物中,RNA聚合酶II (RNA Pol II)的转录是一个高度调控的过程,包括起始、启动子-近端暂停、延伸和终止等动态转变。这些转变是由一系列作用于核心转录因子和关键调节蛋白的激酶驱动的。特别是RNA Pol II的最大亚基RPB1的C端结构域(CTD),在人类中由52个七肽重复序列(Tyr1Ser2-Pro3-Thr4-Ser5-Pro6-Ser7)组成,除脯氨酸外,每个重复残基都会被磷酸化。在这些残基中,Ser5和Ser2磷酸化被研究得最为广泛,因为它们分别在转录的早期和晚期起着关键作用。RNA Pol II及其附属蛋白的磷酸化通过改变分子间相互作用和变构改变其构象来协调转录周期。
在预起始复合物(PIC)组装之后,RNA合成开始于DNA解绕和RNA Pol II CTD在Ser5处被TFIIH的CDK7(酵母中的Kin28)磷酸化,这一过程由中介复合物促进。Ser5磷酸化触发了中介体的释放和封顶酶、RNA加工因子和表观遗传调控因子的参与。RNA Pol II随后在转录起始位点(TSSs)下游短暂停顿,这一状态部分由负延伸因子(NELF)和5,6-二氯苯并咪唑敏感诱导因子(DSIF)维持,通常以其未磷酸化的形式存在。RNA Pol II的释放主要是由含有CDK9(酵母中的Bur1)的正转录延伸因子(P-TEFb)驱动的,据报道,该因子直接或间接靶向大约100种底物,包括NELF, SPT5和RNA Pol II在CTD Ser2处,P-TEFb磷酸化NELF导致分离,而SPT5磷酸化诱导有利于生产延伸的构象。CDK12/13(酵母中的Ctk1)介导的Ser2磷酸化在转录末端位点(TESs)后逐渐增加并达到峰值,促进RNA加工和转录终止。
机理模式图
据报道,靶向RNA Pol II CTD Ser5的磷酸酶主要来自磷酸蛋白磷酸酶(PPP)家族,包括PP2A和PP1,以及非传统磷酸酶,如SSU72、RPAP2、FCP1和小CTD磷酸酶(scp)。RPAP2的作用仍在争论中,讨论的焦点是它是否会主动去磷酸化RNA Pol II,还是通过阻碍PIC组装来影响转录。SSU72是切割和聚腺苷化因子(CPF/CPSF)复合物的一个组成部分,在基因的启动子和终止区协调RNA Pol II的转移。FCP1作为底物更倾向于Ser2而不是Ser5在转录终止中起关键作用,这可以通过抑制Ser2磷酸化水平的增加来证明。
该研究揭示了磷酸酶1核靶向亚基(PNUTS)-PP1复合物中PP1在维持人类细胞全局转录激活中的意想不到的作用。PNUTS-PP1的急性破坏导致暂停聚合酶释放的严重缺陷和随后大多数转录基因的下调。PNUTS-PP1通过磷酸化多种底物来促进暂停释放,包括7SK小核糖核蛋白颗粒(snRNP)亚基MEPCE,一种已知的暂停调节因子。与Integrator-PP2A (INTAC)磷酸酶相比,PNUTS-PP1表现出拮抗功能,后者通常抑制暂停释放。因此,该研究强调了PP1和PP2A在调节全基因组转录暂停和基因表达中的相反作用。
本研究的共同第一作者为复旦大学附属肿瘤医院博士后王振宁和宋爱霞,生物医学研究院博士生陶伯林、缪茂建、罗怡晴等也对本文做出了重要贡献。本文通讯作者为陈飞教授,部分实验得到了武汉大学梁凯威实验室和康奈尔大学Charles Danko实验室的协助。
相关论文信息
相关论文刊载于Cell Press细胞出版社
旗下期刊Molecular Cell上,
▌论文标题:
The phosphatase PP1 sustains global transcription by promoting RNA polymerase II pause release
▌论文网址:
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1097276524008852
▌DOI:
https://doi.org/10.1016/j.molcel.2024.10.046
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