賈桂芳課題組與合作者報道拟南芥RNA修飾m6A調控染色質沉默新機制

近日，beat365官方网站賈桂芳課題組與英國約翰英納斯中心Caroline Dean課題組合作，在Nature Communication雜志在線發表題為“R-loop resolution promotes co-transcriptional chromatin silencing”的研究論文。此項研究揭示了RNA結合蛋白FCA在m6A修飾的正反饋作用下，通過共轉錄RNA加工過程調節R環（R-Loop）的穩定性，并觸發染色質沉默的新機制。

基因如何在恰當的時間和組織器官中正确表達是現代生物學的核心問題，RNA介導的染色質沉默在其中起到了關鍵作用。然而囿于研究手段，到目前為止，人們對這一過程具體機制的了解還很有限。在模式植物拟南芥中，抑花基因FLC是研究RNA介導的染色質沉默的經典模型。FLC具有一簇天然反義轉錄本，稱為COOLAIR。在早先的研究中，人們發現一系列RNA結合蛋白（如FCA，FPA，FLK等），3’末端加工因子（如FY，CstFs等），RNA剪接因子（如PRP8等）都促進了COOLAIR的近端聚腺苷酸化。而在COOLAIR的近端聚腺苷酸化過程中，一系列染色質修飾相關蛋白（如FLD，LD，SDG26等）被招募至FLC基因座位上，改變了FLC基因座位上染色質的狀态，降低了FLC的表達，最終促進了拟南芥的成花轉化。

另一方面，有研究顯示R環與某些染色質沉默的标志性修飾相關聯，而在之前的工作中，Caroline Dean課題組曾發現在FLC基因的3’端存在着由COOLAIR轉錄導緻的R環，單鍊DNA結合蛋白NDX可以穩定該R環的存在，并影響FLC及COOLAIR的表達（Sun et al. 2013）。然而這一R環結構是否參與RNA介導的染色質沉默還有待進一步探索。

為此，該研究首先通過fca與ndx突變體的遺傳互作，發現NDX對FLC基因的沉默作用依賴FCA。NDX穩定R環結構可以促進FCA蛋白與新生COOLAIR轉錄本的結合，并觸發染色質修飾狀态的改變。在此過程中，FCA通過招募3’末端加工因子FY，完成COOLAIR的近端聚腺苷酸化，并促進R環結構的消解。

有趣的是，在對FCA相互作用蛋白的鑒定中，不僅發現了FY等3’末端加工因子，還發現了m6A甲基轉移酶複合物的組分MTA、MTB以及FIP37，且這種相互作用是不依賴RNA。遺傳分析顯示，MTA的缺失嚴重抑制了FCA的功能，導緻FLC的高表達及開花的推遲。FCA雖然不直接結合m6A修飾，但體内體外實驗均顯示，m6A增強了FCA對新生COOLAIR轉錄本的結合，并影響了FCA核内凝聚體相分離的形成。同時，FCA又通過相分離作用促進了m6A修飾的生成，形成了一個正反饋的循環。

進一步研究表明，在m6A修飾的調節下，FCA通過共轉錄RNA加工過程調節R環穩定性，對于其作用的新生RNA底物是一個普遍的機制。而當轉錄本延伸受到局部染色質環境的影響，出現非規範的（Non-canonical）聚腺苷酸化時，3’末端加工因子便會招募一系列染色質修飾相關蛋白，導緻該基因座位的染色質沉默，拟南芥的COOLAIR/FLC便屬于這一情形。這項工作為R環結構，RNA末端加工因子，m6A修飾的動态相互作用并觸發染色質沉默的機制提供了新的見解。

約翰英納斯中心Caroline Dean課題組的許骢瑤博士、吳柘博士（現為南方科技大學生物系研究員），beat365官方网站賈桂芳課題組的段洪超博士為本文共同第一作者，賈桂芳研究員和Caroline Dean教授為本文共同通訊作者，Caroline Dean課題組的方曉峰博士（現為清華大學生命科學學院研究員）對本文亦有貢獻。該工作得到了國家自然科學基金委、中國博士後科學基金會以及北京分子科學國家研究中心的資助。

全文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-22083-6