近日，南方科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授杜嘉木課題組聯(lián)合美國加州大學(xué)洛杉磯分校教授Steven Jacobsen課題組以及深圳大學(xué)醫(yī)學(xué)院教授李思思課題組在植物小RNA領(lǐng)域的研究中取得突破進(jìn)展，相關(guān)成果以“Mechanism of siRNA production by a plant Dicer-RNA complex in dicing competent conformation”為題在線發(fā)表在國際頂尖學(xué)術(shù)雜志《科學(xué)》（Science）上。

小RNA（sRNA）是真核生物中重要的基因調(diào)控途徑，在生長發(fā)育、基因沉默、抵御病毒等動植物的各類生理過程都起著至關(guān)重要的作用。小RNA的生物合成中，Dicer家族核酸內(nèi)切酶選擇性識別小RNA前體，切割RNA至特定長度，并選擇性將一條鏈遞呈給下游AGO蛋白介導(dǎo)下游基因沉默。自上世紀(jì)90年代被發(fā)現(xiàn)以來，Dicer如何以整體的形式起到“分子尺”和“分子刀”的功能，切割生成特定長度的小RNA一直懸而未決。

小RNA生物合成中，Dicer負(fù)責(zé)識別特定的雙鏈小RNA前體一端，并以自身作為模板量取特定的長度進(jìn)行切割。研究人員以植物中特異生成24-nt小RNA的Dicer Like 3 (DCL3)為對象開展了研究。根據(jù)DCL3的特性，設(shè)計(jì)了一段前導(dǎo)鏈為5‘磷酸化A而互補(bǔ)鏈具備1-nt 3’-overhang的 40-bp前體小RNA去模擬DCL3的天然底物。團(tuán)隊(duì)利用南方科技大學(xué)的冷凍電鏡設(shè)置，解析了DCL3和40-bp RNA的復(fù)合物結(jié)構(gòu)，從該結(jié)構(gòu)中觀測到了DCL3利用其platform-PAZ-connector結(jié)構(gòu)域共同打開了雙鏈RNA的第一個堿基對，將5‘磷酸化的A推入一個堿性的結(jié)合口袋開展特異性的識別，并利用一個氫鍵網(wǎng)絡(luò)特異性的識別堿基A；而在另一側(cè)利用一個富集芳香族氨基酸的區(qū)塊識別互補(bǔ)鏈3‘端的延伸。首次觀測到了Dicer家族蛋白是如何同時的前體小RNA的5’和3‘端同時產(chǎn)生特異性的識別。

▲ 圖1. DLC3-RNA復(fù)合物的整體結(jié)構(gòu)圖

前體小RNA末端被DCL3識別后，剩余部分在被DCL3多個結(jié)構(gòu)域形成的一個結(jié)合通道所包裹。DCL3沿著RNA對RNA產(chǎn)生了多個位點(diǎn)的識別，延伸至其兩個RNaseIII結(jié)構(gòu)域時則并排形成二聚體的形式，同時對前體小RNA的兩條鏈產(chǎn)生切割，這樣恰好一個RNaseIII切在前導(dǎo)鏈第24和25堿基間產(chǎn)生24-nt的產(chǎn)物，而另一個RNaseIII切割在互補(bǔ)鏈第23和24堿基間產(chǎn)生23-nt的產(chǎn)物。解析了Dicer家族內(nèi)切酶對小RNA的長度測量機(jī)制。因其下游的AGO4偏好識別24-nt 小RNA，所以同時也解釋了小RNA的鏈選擇性機(jī)制問題。后續(xù)的生化和體內(nèi)小RNA測序?qū)嶒?yàn)驗(yàn)證了末端識別和特異性切割對DCL3產(chǎn)生特性長度小RNA的重要性。

▲圖2. DCL3對RNA末端整體（左）、5‘-磷酸（中）、3’-overhang（右）的識別

整體上，本研究首次觀測到了Dicer家族酶切割小RNA前體的狀態(tài)，成功闡釋了末端識別、長度特異以及鏈選擇性切割的機(jī)制，在審稿過程中被審稿人評價為領(lǐng)域內(nèi)的“l(fā)andmark contribution”。

杜嘉木課題組博士生王倩、加州大學(xué)洛杉磯分校博士后Yan Xue以及清華大學(xué)博士后張來幸為本文的共同第一作者；杜嘉木、Steven Jacobsen和李思思為本論文的共同通訊作者。南科大是論文第一單位。清華大學(xué)教授楊茂君，南科大生物系副教授翟繼先、助理教授吳柘分別為電鏡數(shù)據(jù)處理分析和結(jié)構(gòu)功能解讀提供了支持。南科大冷凍電鏡中心為冷凍電鏡數(shù)據(jù)采集提供了大力支持。該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、深圳市科創(chuàng)委重點(diǎn)項(xiàng)目、孔雀團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目、廣東省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目以及廣東省植物細(xì)胞工廠分子設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等相關(guān)經(jīng)費(fèi)的大力資助。

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資料來源：生命科學(xué)學(xué)院

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