DNA損傷常導緻RNA聚合酶II (Pol II) 蛋白的降解，化學物質抑制轉錄、UV照射，以及血清饑餓也可引發該蛋白的降解。然而，Pol II蛋白水平下降後，其具體的分子調控網絡變化和相關機制仍不清楚。季雄團隊早前利用蛋白質瞬時降解系統，研究了Pol II的全部12個亞基的具體功能分工。結果發現大多數亞基的降解會導緻全局的基因表達下調，但意外地觀察到一小部分基因表達上調的情況。本研究在此基礎上進一步探讨了Pol II大亞基蛋白的降解導緻轉錄水平上調基因的特征，闡明了這些基因表達上調的原因。此外，本研究還關注外界環境刺激條件下引起Pol II降解的情形，揭示類似的調控機制也可能會發生。

2024年6月6日 ，beat365官方网站、北大-清華生命科學聯合中心季雄課題組在Nucleic Acids Research發表了題為“Increased transcriptional elongation and RNA stability of GPCR ligand binding genes unveiled via RNA polymerase II degradation”的研究論文。本研究的結果顯示Pol II的大亞基RPB1蛋白降解會導緻全局性的基因表達下調，但與G蛋白偶聯受體（GPCR）配體結合相關的一小部分基因卻會上調表達，原因是這些基因的轉錄延伸和mRNA穩定性增加。在外部環境刺激引起Pol II的大亞基降解後，這一現象同樣被觀察到，表明細胞通過提高GPCR配體結合相關基因的轉錄延伸和RNA穩定性來應對細胞中轉錄全局下調引發的反饋機制。

圖1. 瞬時降解 Pol II 的 RPB1，盡管活躍基因的表達全局下調，部分參與GPCR配體結合相關基因反而表達增加。

外界環境刺激條件下，通常會造成Pol II 大亞基的蛋白不穩定，為了深入研究相關基因調控機制。本研究首先利用生長素誘導的蛋白瞬時降解系統對Pol II的大亞基RPB1進行降解。結果表明，RPB1降解導緻了預期的全局轉錄抑制以及 RNA 代謝因子和染色質調控因子在染色質上的結合下降。令人驚訝的是， 少部分基因的表達呈現上調。多種轉錄組實驗方法的結果證實，這些基因在成熟RNA和新生RNA水平均表現出明顯的表達上調。這一現象在RPB2和RPB6降解後沒有觀測到，但是在除了RPB4和RPB12外的亞基降解後都觀測到了類似現象。

Pol II 降解後上調基因特征分析發現Polycomb 結合的、較少轉錄暫停的短基因表達增加。這些上調的基因在參與 GPCR 配體結合的功能類别中富集。接下來，研究發現，在RPB1降解後，盡管上調基因上總的Pol II占位下降，但pSer2形式的RPB1（轉錄延伸标志）的占位卻增加了。同時，上調基因的RNA穩定性也顯著增加。這表明細胞通過提高這些基因的轉錄延伸和RNA穩定性，來應對RPB1降解所帶來的應激反應。之後，研究團隊在不同的應激條件下，如α-鵝膏蕈堿或紫外線處理，同樣發現RPB1降解導緻全局基因轉錄抑制，同時也激活了一些特定的基因。通過對這些基因的功能富集分析，發現它們同樣主要參與GPCR配體結合和環境刺激響應，因而這些發現對于理解細胞在應對外部壓力時的基因調控機制具有重要意義。

本研究還發現，RPB1降解後，H3K27me3占位減少而H3K27me3的“eraser”，KDM6B占位增加。RPB2降解卻導緻H3K9me3和H3K9me3的“writer”，SUV39H1占位減少。這表明RPB1和RPB2在染色質修飾和基因激活方面具有不同的作用機制。但是這些表觀修飾變化，以及轉錄延伸速度、轉錄終止、RNA剪接和RNA 3’加工和RNA出核轉運等，都不能解釋基因表達的上調現象。

總體而言，本研究揭示了在RPB1蛋白降解後，特定基因通過增加轉錄延伸和RNA穩定性來維持其表達，這為理解細胞在面對轉錄抑制時的應對機制提供了新視角。特别是，GPCR配體結合基因的上調可能代表了一種細胞适應轉錄機器受損的應激反應機制。此外，本研究中Pol II瞬時降解後的染色質蛋白質組變化結果也為未來研究Pol II偶聯的RNA、DNA代謝過程，提供了重要線索。

圖2. RPB1在α-鵝膏蕈堿或紫外線處理後降解，導緻全局轉錄抑制和特定基因上調，特定基因通過增加轉錄延伸和RNA穩定性來維持其表達來應對RPB1降解所帶來的應激反應。

beat365官方网站、北大-清華生命科學聯合中心季雄研究員和beat365官方网站，北京大學核糖核酸北京研究中心 (BEACON) 黃捷博士是該論文的共同通訊作者。beat365官方网站博士研究生包麗君（2021級）、朱峻毅（2021級）是該論文的共同第一作者。該工作得到國家自然科學基金原創探索項目、北大-清華生命科學聯合中心、啟東創新基金、成都研究院前沿創新基金、細胞增殖與分化教育部重點實驗室和科技部國家重點研發計劃的資助。感謝北京大學鳳凰工程多個儀器平台對本項目的大力支持。

參考文獻：

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2.      Li, Y., Huang, J., Zhu, J., Bao, L., Wang, H., Jiang, Y., Tian, K., Wang, R., Zheng, H., Duan, W. et al. (2022) Targeted protein degradation reveals RNA Pol II heterogeneity and functional diversity. Molecular cell, 82, 3943-3959.e3911.

3.      Huang, J. and Ji, X. (2023) Never a dull enzyme, RNA polymerase II. Transcription, 14, 49-67.

原文鍊接：https://academic.oup.com/nar/advance-article/doi/10.1093/nar/gkae478/7688994?utm_source=advanceaccess&utm_campaign=nar&utm_medium=email

季雄課題組長期從事RNA聚合酶非經典功能調控研究。主要集中在RNA聚合酶亞基未知功能調控、分子探針和生物計算等方向，近5年成果發表在Cell（2023）、Molecular Cell（2022，2023）、Genome Biology（2020，2022）、Nature Communications （2022）、Nucleic Acids Research (2023，2024)、Cell Reports (2023)、Cell Discovery （2020）、CMLS（2022）、iScience（2022）、Transcription (2023)、STAR Protocol（2023a, 2023b）等雜志上，為選擇性基因表達調控提供新的假說。歡迎感興趣的博士後和研究生聯系并申請加入。