當(dāng)人類基因組被首次測(cè)序時(shí)，專家預(yù)測(cè)他們會(huì)發(fā)現(xiàn)大約100,000個(gè)基因。實(shí)際數(shù)目是接近20,000個(gè)，比果蠅的僅僅多出幾千個(gè)。問題是：相對(duì)較少數(shù)量的基因如何為人體的復(fù)雜性奠定基礎(chǔ)？

 

這個(gè)問題的解釋是：基因受許多不同形式的調(diào)控所支配，調(diào)控可以改變其蛋白質(zhì)的形式，并確定一個(gè)基因的產(chǎn)物是否會(huì)產(chǎn)生？產(chǎn)生多少？這種調(diào)控許多發(fā)生在DNA被轉(zhuǎn)錄成RNA期間或剛剛結(jié)束的時(shí)候。

 

最近，在植物進(jìn)行的一項(xiàng)新研究中，賓夕法尼亞大學(xué)的生物學(xué)家以早期工作為基礎(chǔ)，在早期工作中他們將發(fā)生在RNA及RNA結(jié)合蛋白質(zhì)之間的所有相互作用進(jìn)行編目。這一次，他們僅在細(xì)胞核中研究這些相互作用，同時(shí)獲得關(guān)于核RNA分子結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)。通過結(jié)合這些數(shù)據(jù)集，他們的研究全面分析了可能影響RNA調(diào)控過程的模式，這些調(diào)控過程發(fā)生在這些分子進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)之前，在那里它們轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)，從而構(gòu)成一個(gè)活的生物體。

 

此外，研究人員提供了一個(gè)巨大的、公開可用的數(shù)據(jù)集，其他科學(xué)家可以用來解決關(guān)于他們感興趣的基因及調(diào)控機(jī)制的問題，從而更好了解從DNA到蛋白質(zhì)這一行程的動(dòng)力學(xué)。

 

相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2014年12月31日的《Molecular Cell》雜志，賓夕法尼亞大學(xué)藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院生物系助理教授Brian D. Gregory是本文的資深作者。Gregory實(shí)驗(yàn)室的研究專家Sager J. Gosai和研究生Shawn W. Foley是本文共同第一作者。

 

今年早些時(shí)候在《Genome Biology》發(fā)表的一篇論文中（Genome Biology發(fā)文介紹RNA印記法），Gregory的研究小組報(bào)道稱，他們開發(fā)出一種方法，可對(duì)活生物體中RNA和RNA結(jié)合蛋白（RBP，它與RNA轉(zhuǎn)錄子相互作用，以一種特定于細(xì)胞類型的方式，抑制、增強(qiáng)或改變基因表達(dá)）之間相互關(guān)系獲得一個(gè)完整的目錄。該技術(shù)被稱為PIP-seq，用于蛋白質(zhì)相互作用譜測(cè)序。他們最初用PIP-seq在一個(gè)人類細(xì)胞系中確定了一組完整的RBP相互作用位點(diǎn)。

 

在當(dāng)前的這項(xiàng)研究中，他們使用常用模式植物擬南芥（Arabidopsis thaliana），標(biāo)出了所有RBP相互作用位點(diǎn)，也編譯出RNA轉(zhuǎn)錄子的完整二級(jí)結(jié)構(gòu)。第一項(xiàng)研究著眼于細(xì)胞內(nèi)的所有RNA，一套被稱為轉(zhuǎn)錄組的材料，而這項(xiàng)研究卻只著眼于在細(xì)胞核。

 

Gregory說：“通過特別關(guān)注細(xì)胞核，我們可以避開RNA分子的所有特征——與轉(zhuǎn)錄成蛋白質(zhì)的過程相關(guān)，這個(gè)過程發(fā)生在細(xì)胞質(zhì)中。”

 

研究人員從10日齡的擬南芥幼苗中提取細(xì)胞核。他們進(jìn)行了PIP-seq，也獲得了RNA二級(jí)結(jié)構(gòu)的信息——RNA鏈如何折疊、成環(huán)并結(jié)合在一起。

 

通過集中研究與RBPs相結(jié)合的RNA部分，該研究小組發(fā)現(xiàn)，這些序列在進(jìn)化史中已經(jīng)變得保守，可能在基因調(diào)控機(jī)制中發(fā)揮重要的作用。

 

科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)，RBP結(jié)合模式和二級(jí)結(jié)構(gòu)之間存在強(qiáng)烈的反比關(guān)系。

 

Gregory說：“當(dāng)結(jié)構(gòu)偏低時(shí)，蛋白質(zhì)往往結(jié)合這些區(qū)域，當(dāng)結(jié)構(gòu)偏高時(shí)，RBPs往往不結(jié)合這些區(qū)域。我們一次又一次看到，結(jié)構(gòu)脈絡(luò)，而不僅僅是RNA序列，是RBP結(jié)合的選擇性力量。”

 

另一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)是，RBP結(jié)合的獨(dú)特模式，以及存在于每個(gè)信使RNA轉(zhuǎn)錄子起始密碼子周圍的結(jié)構(gòu)，在這里一個(gè)細(xì)胞的蛋白質(zhì)制造機(jī)器開始制造過程。

 

Gosai說：“這表明，即使在RNA從細(xì)胞核出來并參與翻譯機(jī)制之前，這里都會(huì)發(fā)生調(diào)控事件。對(duì)于未來探討細(xì)胞核中發(fā)生什么調(diào)控事件的研究來說，這是一個(gè)令人興奮的地方。”

 

兩種關(guān)鍵的轉(zhuǎn)錄調(diào)控形式是：可變剪接，其中RNA片段經(jīng)歷了剪切和粘貼過程，以產(chǎn)生可編碼不同蛋白質(zhì)的新序列；和可變聚腺苷酸化，它會(huì)改變一個(gè)轉(zhuǎn)錄子結(jié)束和一個(gè)腺嘌呤“尾巴”添加的位置，這個(gè)過程可以提高RNA分子的穩(wěn)定或降解。

 

在他們的分析中，賓夕法尼亞大學(xué)生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)，RBP結(jié)合位點(diǎn)和某些二級(jí)結(jié)構(gòu)模式，在可變剪接和可變多聚腺苷酸化發(fā)生的部位更為常見。

 

Foley說：“在人類中，幾乎95%的基因是可變剪接的，在植物中這個(gè)數(shù)目至少是60%。在植物中研究高水平的RBP結(jié)合、以及在可變剪接及聚腺苷酸化位點(diǎn)與二級(jí)結(jié)構(gòu)的相互作用，能夠指示調(diào)控發(fā)生在哪里？如何從一段RNA序列產(chǎn)生不同的蛋白質(zhì)？”

 

在之前利用PIP-seq的研究中，Gregory及其同事發(fā)現(xiàn)了RNA序列在某些RBP容易結(jié)合的位點(diǎn)反復(fù)出現(xiàn)的模式，稱為“基序motifs”。研究人員指出，有可能這些RBPs能夠結(jié)合功能相關(guān)基因，來協(xié)調(diào)它們的調(diào)控。

 

最后，該研究小組集中關(guān)注一個(gè)RBP結(jié)合序列基序，這種序列基序特別豐富，并發(fā)現(xiàn)它能與一個(gè)稱為CP29A的RBP相互作用。

 

Foley說：“這種蛋白質(zhì)已知能結(jié)合葉綠體中的RNA，但是我們首次將其確定為一種細(xì)胞核RBP。”這表明，CP29A可能是這兩個(gè)細(xì)胞器中的一個(gè)重要調(diào)節(jié)因子。

 

為了跟進(jìn)這項(xiàng)工作，賓夕法尼亞大學(xué)的科學(xué)家將探討RNA調(diào)控在植物組織之間和不同發(fā)育階段有何差異。他們還計(jì)劃使用PIP-seq和結(jié)構(gòu)分析，來研究其他類型的生物。

 

Gregory說：“既然我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了標(biāo)記可變剪接及形成植物蛋白編碼能力的其他事件的模式，我們將確定產(chǎn)生這些模式的蛋白質(zhì)。最終我們想擴(kuò)展到人類和其他生物，探究是否能看到相同的模式。”