中国科学院分子细胞科学卓越创新中心

引言 遗传信息的传递和表达是一切生命活动的物质基础。在真核生物中，RNA聚合酶II转录产生多种类型的RNA，尽管这些RNA在基本结构上高度相似，它们的命运却截然不同：有些RNA被顺利转运出核，而另一些则在细胞核中迅速被识别并降解。RNA能够正确地被分选到出核或降解通路，是确保遗传信息精确表达的关键环节。研究表明，出核与降解机器通过竞争结合新生RNA来完成RNA分选。目前，领域内普遍认为出核通路在RNA分选中占主导地位，只有那些未能与出核机器结合的RNA，才会被降解机器结合并清除。然而，这种出核主导的RNA分选机制可能无法有效保证异常RNA的快速清除，从而对细胞功能产生潜在影响。 2024年10月25日，中国科学院分子细胞科学卓越创新中心程红课题组与武汉大学周宇教授合作，在Molecular Cell期刊在线发表了题为 Dual modes of ZFC3H1 confers selectivity in nuclear RNA sorting 的研究论文，提出并证明了“降解-预设”的RNA 分选新模型，改变了现有的“出核-预设”的RNA分选观点。 外切体是细胞中最主要的RNA降解机器之一，几乎参与了每个RNA分子的命运调控。外切体功能的发挥依赖于接头因子，帮助其选择性降解不同类型的底物RNA。PAXT复合体（PolyA eXosome Targeting connection）是外切体的一个重要接头因子，由MTR4和锌指蛋白ZFC3H1组成核心二聚体，并动态结合polyA结合蛋白PABPN1、锌指蛋白ZC3H3和RNA结合蛋白RBM26/27等。早期研究提出， PAXT主要结合在具有3′ polyA尾的成熟RNA上，通过MTR4招募外切体来降解这些底物。由于PAXT底物RNA与功能mRNA结构完全相同，其介导的RNA分选过程尤为具有挑战性。 在本研究中，意外发现ZFC3H1在转录早期便结合在pre-RNA（RNA前体）的5′端外显子和内含子上。有趣的是， ZFC3H1在此阶段处于自我封闭的模式，阻断了MTR4与外切体的结合，因此并不启动RNA降解。这种“占位”机制可以有效地防止出核因子过早结合而引起的RNA出核紊乱。通过多组学分析，该研究全面解析了PAXT降解底物RNA的特征，包括较少的外显子，较短的长度和较长的polyA尾等。这些特征如何促使ZFC3H1从“占位”模式转换为“降解”模式呢？当RNA包含多个内含子时，剪接过程中出核因子会被招募，并向5′端传递，取代ZFC3H1；而对于少外显子的短RNA，其较长的polyA尾可有助于招募更多PAXT组分（如ZC3H3和RBM26/27），解除ZFC3H1的封闭状态，暴露MTR4，从而启动降解。 综上所述，本研究揭示了新生RNA的命运最初被预设为降解，但伴随转录和加工过程的推进，其命运可被重塑，RNA的特征决定了其最终被分选为出核或降解通路。基于这一发现，研究人员提出了以降解为中心的RNA分选机制，既确保了异常RNA的快速降解，又保证了功能性RNA的高效出核。这一工作揭示了细胞核RNA分选的基本规律，深化了对遗传信息精准传递的理解。 模式图（Credit: Molecular Cell） 参考文献 https://doi.org/10.1016/j.molcel.2024.09.032 责编|探索君 排版|探索君 来源|BioArt End 往期精选 围观 一文读透细胞死亡(Cell Death) | 24年Cell重磅综述（长文收藏版） 热文 Cell | 是什么决定了细胞的大小？ 热文 Nature | 2024年值得关注的七项技术 热文 Nature | 自身免疫性疾病能被治愈吗？科学家们终于看到了希望 热文 CRISPR技术进化史 | 24年Cell综述

10月9日，国际学术期刊Science Advances在线发表了中国科学院分子细胞科学卓越创新中心（生物化学与细胞生物学研究所）徐国良研究组和中国科学院上海营养与健康研究所邵振研究组的最新合作研究成果: “DNA cytosine methylation suppresses meiotic recombination at the sex-determining region”，该研究揭示了DNA甲基化在维持性别决定区稳定性中的重要作用。 有性生殖过程中，同源重组增加了自然选择的遗传多样性，同时能够去除有害的突变。性别二态性在真核生物中广泛存在，通常由基因组中的性别决定区（sex-determining region, SDR）予以控制。为了维持性别的保真性，SDR进化出了广泛的重组抑制，这种抑制在众多物种中由不同机制调控，包括但不限于序列差异、结构重排、组蛋白修饰等等。 莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）作为一种单倍体的单细胞真核绿藻，是研究有性生殖与减数分裂的重要模式生物。衣藻的性别由mating-type locus (mt) 决定，存在两种交配型：plus与minus。MT是基因组中一段375 kb (mt+) 或211 kb (mt–) 的复杂序列，在两种交配型之间重排。此前的研究表明，重排序列对该区域的重组抑制有所贡献，但并不充分，同时两者之间的因果关系也尚不明晰。 从进化的角度来看，DNA的出现早于染色体，这意味着DNA修饰的出现可能同样早于组蛋白修饰。DNA胞嘧啶甲基化（5mC）是真核生物中常见的表观遗传修饰，在多个生物学过程中发挥着重要作用。衣藻作为进化早期兼具动植物特性的生物，其性别决定区MT的高甲基化赋予了性别维持机制新的可能。 研究人员首先鉴定了衣藻中负责细胞核DNA甲基化的胞嘧啶甲基转移酶，确认DNMT1 (Cre10.g461750) 是主要的维持性甲基转移酶，并通过实验室前期开发的CRISPR技术获得了多株dnmt1突变体。通过四分体分析，研究人员发现在减数分裂过程中，DNMT1的完全缺失会致使子代生存率降低以及生存谱式异常，并在MT发生非正常重组从而产生mixed-mt的异常子代。 通过对重组频率的检测与统计，研究人员发现相较于WT × WT对照组，dnmt1 × dnmt1组别确实在高甲基化的MT发生相当比例的重组（对照组中频率为0）；而在常染色体区域，两组的重组频率不存在差异。染色质免疫共沉淀（ChIP-seq）结果显示，dnmt1突变藻株中，MT区域的H3K9me1修饰显著降低。 为探究H3K9me1的降低与表型之间的关系，研究人员进一步构建了SET3（衣藻中产生H3K9me1修饰的主要甲基转移酶）敲除藻株，发现该基因的突变恰好能够模拟dnmt1突变藻株中H3K9me1的降低（总量与分布），同时并未对5mC水平造成影响。但在四分体分析检测中，set3 × set3组别未产生异常表型。这表明衣藻中5mC与H3K9me1是严格的上下游关系，组蛋白修饰的改变只是DNA甲基化改变的结果，并非产生表型的原因。 衣藻中的这一发现使得研究人员推测，真核生物自20亿年前进化至今，DNA修饰或许行使了更多的功能。研究DNA甲基化在其他物种（如哺乳动物）中，是否对性别决定区的重组抑制有所贡献，对于探索表观遗传修饰的进化具有重要意义。 综上所述，该研究发现了莱茵衣藻中DNA甲基化对交配型决定区重组抑制的重要功能，揭示了性别决定区维持的新机制，拓展了DNA甲基化的生物学功能。 分子细胞卓越中心徐国良研究员、营养与健康研究所邵振研究员与分子细胞卓越中心陈辉副研究员为该论文的共同通讯作者。分子细胞卓越中心博士研究生盖彤、营养与健康研究所博士后桂秀琪、分子细胞卓越中心博士研究生徐嘉曦以及博士夏维为该论文的共同第一作者。该项工作得到了中国科学院、基金委、上海市科委等部门的经费资助，以及分子细胞卓越中心分子生物学技术平台的大力支持。 DNA甲基化抑制性别决定区的减数分裂重组 文章链接： https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr2345 原文链接： https://cemcs.cas.cn/kyjz/202410/t20241011_7396237.html 本文仅用于学术分享，转载请注明出处。若有侵权，请联系微信：bioonSir 删除或修改！

引言 有性生殖过程中的同源重组，增加了自然选择的遗传多样性，并能去除有害的突变。性别二态性普遍存在于真核生物中，通常由基因组中的性别决定区（sex-determining region, SDR）控制。为了维持性别的保真性，SDR进化出了广泛的重组抑制，这种抑制在众多物种中由不同机制调控，包括但不限于序列差异、结构重排、组蛋白修饰等等【1】。 莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）作为一种单倍体的单细胞真核绿藻，是研究有性生殖与减数分裂的重要模式生物。衣藻的性别由mating-type locus (mt) 决定，有两种交配型：plus与minus。MT是基因组中一段375 kb (mt+) 或211 kb (mt–) 的复杂序列【2】，在两种交配型之间重排。此前的研究表明，重排序列对该区域的重组抑制有所贡献，但并不充分【3】，同时两者的因果关系也并不明晰。 从进化的角度来看，DNA早于染色体出现，意味着DNA修饰的出现可能同样早于组蛋白修饰。DNA胞嘧啶甲基化（5mC）是真核生物中常见的表观遗传修饰，在多个生物学过程中发挥着重要作用。衣藻作为进化早期兼具动植物特性的生物，其性别决定区MT的高甲基化赋予了性别维持机制新的可能。 2024年10月9日，中国科学院分子细胞科学卓越创新中心徐国良研究员、中国科学院上海营养与健康研究所邵振研究员、分子细胞科学卓越创新中心陈辉副研究员在Science Advances发表文章：DNA cytosine methylation suppresses meiotic recombination at the sex-determining region，该研究揭示了DNA甲基化在维持性别决定区稳定性中的重要作用。 作者首先鉴定了衣藻中负责细胞核DNA甲基化的胞嘧啶甲基转移酶，确认DNMT1 (Cre10.g461750) 是主要的维持性甲基转移酶，并通过实验室前期开发的CRISPR技术【4】得到了多株dnmt1突变体。通过四分体分析，作者发现在减数分裂过程中，DNMT1的完全缺失会导致子代生存率的降低以及生存谱式的异常，并在MT发生非正常重组从而产生mixed-mt的异常子代。通过对重组频率的检测与统计，作者发现相较于WT × WT对照组，dnmt1 × dnmt1组别的确在高甲基化的MT发生相当比例的重组（对照组中频率为0）；而在常染色体区域，两组的重组频率并无差异。ChIP-seq结果表明，dnmt1突变藻株中，MT区域的H3K9me1修饰显著降低。为了探究H3K9me1的降低与表型之间的关系，作者进一步构建了SET3（衣藻中产生H3K9me1修饰的主要甲基转移酶）敲除藻株，发现该基因的突变恰好能模拟dnmt1突变藻株中H3K9me1的降低（总量与分布），同时并未对5mC水平造成影响。但在四分体分析检测中，set3 × set3组别并无异常表型产生。这说明衣藻中5mC与H3K9me1是严格的上下游关系，组蛋白修饰的改变只是DNA甲基化改变的结果，并非产生表型的原因。衣藻中的发现让我们有理由推测，真核生物从20亿年前进化至今，DNA修饰或许行使了更多功能。研究DNA甲基化在其他物种（如哺乳动物）中，是否贡献于性别决定区的重组抑制，将对探索表观遗传修饰的进化具有重要意义。 模式图（Credit: Science Advances） 综上所述，该研究发现了莱茵衣藻中DNA甲基化对交配型决定区重组抑制的重要功能，揭示了性别决定区维持的新机制，拓展了DNA甲基化的生物学功能。 参考文献 1. B. L. S. Furman, D. C. H. Metzger, I. Darolti, A. E. Wright, B. A. Sandkam, P. Almeida, J. J. Shu, J. E. Mank, Sex Chromosome Evolution: So Many Exceptions to the Rules. Genome Biol Evol 12, 750-763 (2020). 2. U. Goodenough, H. Lin, J. H. Lee, Sex determination in Chlamydomonas. Semin Cell Dev Biol 18, 350-361 (2007). 3. D. Lopez, T. Hamaji, J. Kropat, P. De Hoff, M. Morselli, L. Rubbi, S. Fitz-Gibbon, S. D. Gallaher, S. S. Merchant, J. Umen, M. Pellegrini, Dynamic Changes in the Transcriptome and Methylome of Chlamydomonas reinhardtii throughout Its Life Cycle. Plant Physiol 169, 2730-2743 (2015). 4. H. Chen, Q. L. Yang, J. X. Xu, X. Deng, Y. J. Zhang, T. Liu, M. G. Rots, G. L. Xu, K. Y. Huang, Efficient methods for multiple types of precise gene-editing in Chlamydomonas. Plant J 115, 846-865 (2023). https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/sciadv.adr2345 责编|探索君 排版|探索君 文章来源|“BioArt” End 往期精选 围观 一文读透细胞死亡(Cell Death) | 24年Cell重磅综述（长文收藏版） 热文 Cell | 是什么决定了细胞的大小？ 热文 Nature | 2024年值得关注的七项技术 热文 Nature | 自身免疫性疾病能被治愈吗？科学家们终于看到了希望 热文 CRISPR技术进化史 | 24年Cell综述