破解第四种“细胞CPU”,上海科学家再登《科学》:一次食堂交流,“解锁”教科书级生命奥秘

12月24日凌晨,国际著名学术期刊《科学》在线发表了上海科学家的一项重磅成果:高等植物细胞中的第四种RNA聚合酶结构被成功解析,还发现了它与另一蛋白质形成内部通道,高效合成双链RNA的新机制。

被称为细胞CPU的RNA聚合酶(Pol),在高等生物中仅有五种,Pol I、II、III在动物植物中均保守,但是Pol IV和V为植物所特有。Pol I、II、III的三维结构都由欧美科学家解析,并曾获得诺贝尔化学奖。由于在植物中含量太低,第四种RNA聚合酶的结构解析一直难以突破。然而,中国科学院分子植物科学卓越创新中心的两位青年研究员,在一次食堂饭桌交流中获得了突破瓶颈的灵感,创建了一套植物超大蛋白质复合物分离纯化的新方法,从而在第四种RNA聚合酶的发现者上写下了中国科学家的名字。

三年孤注解难题,突破重要技术瓶颈

在高等生物基因组中,转座子会通过自身的跳跃和复制,影响DNA上的基因活动。为了精准控制转座子的过度活动,细胞会产生一种双链DNA的化学封条。而由植物细胞核编码的第四种RNA聚合酶Pol Ⅳ,正是这一化学封条的重要生产者。

全球生命科学家一直在为解析Pol Ⅳ结构而努力,其中包括曾经解析了前三个RNA聚合酶结构的实验室。2015年,年仅33岁的张余从美国博士后学成归国,来到位于上海的中科院分子植物卓越中心建立实验室,朝着这个教科书级别的未解之谜发起挑战。

Pol Ⅳ在植物组织中的丰度极低,要提纯出足够的样品来进行结构解析,极其困难。如何突破这个技术瓶颈,成了张余日思夜想的难题。

就在遍尝现有方法不得其门之时,与同事王佳伟研究员在食堂午餐时的聊天,却意外撞开了灵感大门。王佳伟建议张余尝试通过大规模培养植物悬浮细胞的方式,来低成本、高效率地获得高质量Pol Ⅳ蛋白质样品。

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于是,张余的学生、该论文第一作者之一的黄坤来到王佳伟的实验室,用半年时间学习实验技术。为了这个重量级研究课题,她将三年时间几乎孤注一掷地用在了这个课题上。在一次次啃硬骨头的过程中,她甚至担心自己能否按时毕业。

不用担心,哪怕没有论文发表同样能毕业。这是张余给黄坤的一颗定心丸。根据分子植物卓越中心的规定,只要学生在重大科学问题的攻坚克难中表现出了相当的科研实力,即使没有发表论文,也能顺利通过答辩毕业。

在这样一种宽松而理性的科研氛围中,黄坤终于在两位导师的共同帮助下,获得了高质量的纯化Pol Ⅳ样品。在浙江大学冯钰教授的协助下,Pol Ⅳ在冷冻电镜下的结构解析顺利完成。植物细胞世界中RNA合成机制的一扇新大门轰然被打开。

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双链RNA合成全新机制浮出水面

生产双链RNA封条的Pol Ⅳ有何特别之处?

张余说,科学家一直以为,细胞合成双链RNA,是在一个蛋白质车间中生产出单链RNA,再运送到另一个蛋白质车间合成上另一半单链RNA。

不过,令科学家百思不得其解的是,合成到一半的单链RNA还很不稳定,非常容易被降解。植物细胞又是怎样解决这个效率难题的呢?

随着Pol Ⅳ结构的解析,这一难题也迎刃而解。原来,它与合成双链RNA的搭档蛋白质RDR2一起,形成了一个具有内部通道的联合车间,由Pol Ⅳ合成出的单链RNA直接从内部通道输送到RDR2,进行下一步合成,最终一步到位输出双链RNA封条。

这种双链RNA的合成方式,过去从未发现过。张余对大自然的智慧十分钦佩,他设想可以此为模板,通过合成生物学设计相应的蛋白质分子机器,更高效地生产双链RNA。张余说,RNA分子在生物农药等研发领域正显示出强劲潜力,新方法或许可以促进这一领域的发展。

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更令两位年轻研究员兴奋的是,成功解析Pol Ⅳ结构,意味着食堂灵感带来的低丰度植物超大蛋白质复合物分离纯化的新方法将有更大的用武之地。这一技术瓶颈的突破,将为破解最后一种植物RNA聚合酶Pol Ⅴ带来希望。

目前,科学家已知Pol Ⅴ的主要功能是将双链RNA的‘封条’贴到DNA上,通过完成DNA甲基化,来阻止转座子对DNA稳定性的破坏。王佳伟希望,通过后续努力,将中国科学家的名字再次标在Pol Ⅴ的发现者上。

中国科学院院士、分子植物卓越中心主任韩斌表示,后两种RNA聚合酶是植物所特有,若将它们完全破解,或可更深入探讨动物与植物是如何演化的这一更基本的科学问题。在分子植物卓越中心,我们通过营造一流科研环境,支持一流青年科学家在多学科碰撞中,潜心探索基础研究的重大科学问题。

作者:许琦敏

图片来源:中科院分子植物卓越中心

责任编辑:任荃

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