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曹曉風(fēng)院士團隊在植物核糖體前體加工和組裝分子機制研究中取得進展
核糖體是細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)合成的分子工廠，其生物合成是細(xì)胞內(nèi)復(fù)雜、耗能的基本生物學(xué)過程之一，受到嚴(yán)格的監(jiān)管和調(diào)控。真核生物核糖體生物合成起始于細(xì)胞核內(nèi)核糖體DNA (rDNA)轉(zhuǎn)錄，其產(chǎn)生的核糖體前體RNA (pre-rRNA)分子與一系列組裝因子(Assembly Factor, AF)動態(tài)組裝為90S/SSU(Small Subunit)核糖體前體復(fù)合物(pre-ribosomes)，并經(jīng)歷pre-rRNA轉(zhuǎn)錄后加工、核糖體RNA (rRNA) 共價修飾、核糖體蛋白(r-proteins)有序結(jié)合以及核糖體空間結(jié)構(gòu)重排等過程，終在細(xì)胞質(zhì)中完成加工產(chǎn)生成熟核糖體參與蛋白質(zhì)合成。核糖體生物合成缺陷會導(dǎo)致嚴(yán)重的生物學(xué)后果，包括動植物胚胎致死、嚴(yán)重的人類遺傳疾病 (比如ribosomopathies)和癌癥的高頻發(fā)生，以及農(nóng)作物環(huán)境脅迫應(yīng)答的異常和減產(chǎn)。對核糖體生物大分子的合成和pre-rRNA轉(zhuǎn)錄后加工的調(diào)控機理研究一直是生命科學(xué)的研究熱點。酵母和動物中有關(guān)核糖體前體加工和組裝的研究相對較多，而植物中對于該過程的認(rèn)知卻十分有限。
2020年10月15日，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所植物基因組學(xué)國家重點實驗室曹曉風(fēng)院士團隊在Molecular Plant 在線發(fā)表了題為“Protein Arginine Methyltransferase 3 Fine-tunes the Assembly/Disassembly of Pre-Ribosome to Repress Nucleolar Stress by Interacting with RPS2B in Arabidopsis ” 的研究論文，揭示了蛋白質(zhì)精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶參與調(diào)控高等植物核糖體生物合成并抑制核仁脅迫的分子機制。
該團隊前期研究工作發(fā)現(xiàn)擬南芥蛋白質(zhì)精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶AtPRMT3功能缺失突變體atprmt3-2表現(xiàn)出真葉變尖、種子萌發(fā)滯后、主根變短、對翻譯抑制劑響應(yīng)異常和多聚核糖體譜式紊亂等多效的類似核糖體相關(guān)突變體的生長發(fā)育缺陷。進一步研究揭示高等模式植物擬南芥中存在兩條可變的pre-rRNA加工通路，并且AtPRMT3通過促進pre-rRNA的可變加工通路的平衡進而參與調(diào)控核糖體生物合成過程，促進植物生長發(fā)育 (Hang et al., 2014, PNAS)。
為了進一步探索AtPRMT3參與pre-rRNA可變加工通路平衡進而促進核糖體生物合成的分子機理，研究團隊采用了正向遺傳學(xué)策略，并成功篩選到atprmt3-2的若干顯性抑制子，它們皆能有效地恢復(fù)atprmt3-2的發(fā)育缺陷表型和pre-rRNA加工異常的分子表型。重測序分析和DNA測序驗證發(fā)現(xiàn)在這些顯性抑制子中，atprmt3-2的T-DNA插入位點的上游編碼區(qū)發(fā)生提前終止突變，進而促進了AtPRMT3-N端截短蛋白的合成。鑒于該N端截短蛋白含有完整的C2H2類型鋅指結(jié)構(gòu)域，而精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶酶活關(guān)鍵的Double-E結(jié)構(gòu)域則被*破壞，作者推測AtPRMT3的生物學(xué)功能不依賴其酶活活性，并通過一系列遺傳互補實驗證實了該假設(shè)。由于鋅指結(jié)構(gòu)往往參與分子間互作，該團隊進一步通過免疫沉淀(IP)結(jié)合液相串聯(lián)質(zhì)譜(LC-MS/MS)技術(shù)鑒定獲得了AtPRMT3的植物內(nèi)源互作蛋白---核糖體小亞基蛋白RPS2家族蛋白，包含2A、2B、2C和2D四個成員。其中RPS2A和RPS2B的同源性非常高，只有一個氨基酸的差異。轉(zhuǎn)錄組分析和遺傳互補實驗表明RPS2B的表達量遠(yuǎn)高于RPS2A，且在體內(nèi)發(fā)揮著主效功能。
rps2a2b-1 突變體表現(xiàn)出與atprmt3-2相似的生長發(fā)育缺陷和pre-rRNA可變加工異常，而三突變體則表現(xiàn)胚胎致死表型，表明RPS2B與AtPRMT3在協(xié)同調(diào)控核糖體生物合成過程中具有重要功能。隨后通過RNA免疫沉淀實驗、IP-LC-MS/MS、以及分子篩實驗發(fā)現(xiàn)當(dāng)AtPRMT3發(fā)生缺失突變后，RPS2B與90S/SSU核糖體前體加工復(fù)合體組分相互作用顯著增強，且90S/SSU核糖體前體加工復(fù)合體中U3 snoRNP核心蛋白在atprmt3-2中明顯滯留在大分子復(fù)合體中，表明核糖體前體加工和動態(tài)組裝的滯后，這可能是造成atprmt3-2中pre-rRNA可變加工方式失衡的直接原因。atprmt3-2中核糖體前體復(fù)合體動態(tài)組裝的紊亂進一步引發(fā)包括核仁異常增大在內(nèi)的核仁脅迫/核糖體脅迫，導(dǎo)致異常的生長發(fā)育表型。
綜上所述，該研究闡明了AtPRMT3及其互作蛋白RPS2B在調(diào)控核內(nèi)90S/SSU加工復(fù)合體的動態(tài)組裝、下游核糖體的加工組裝和核仁脅迫過程中的重要功能。在酵母、小鼠和人類細(xì)胞中PRMT3與RPS2也同樣存在互作，因此該調(diào)控機制可能是保守的。該研究不僅揭示了擬南芥精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶AtPRMT3調(diào)控核糖體生物合成和植物生長發(fā)育的分子機理，也為其他物種中的相關(guān)研究提供了理論基礎(chǔ)。
中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所博士后杭潤來和王震為論文共同第yi作者，曹曉風(fēng)研究員，劉春艷副研究員和孫婧助理研究員為論文共同通訊作者。深圳大學(xué)莫蓓莘教授和美國加州大學(xué)河濱分校陳雪梅教授參與了研究工作。該工作得到國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院先導(dǎo)專項、中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點研究計劃和植物基因組學(xué)國家重點實驗室的資助。