真核細(xì)胞RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄活性于1959年由Samuel Weiss課題組利用大鼠肝臟核抽提物和四種rNTP在體外**檢測(cè)到1。1969年，當(dāng)時(shí)還在讀研究生的美國(guó)生物化學(xué)家Robert Roeder 利用高鹽溶液在海膽胚胎抽提物中發(fā)現(xiàn)、分離和純化了三種形式的RNA聚合酶，并且按照它們?cè)趯游鲋邢疵摮鰜?lái)的順序依次命名為RNA聚合酶I、II、III2。1970年，Chambon課題組利用α-鵝膏蕈堿（a-amanitin）抑制實(shí)驗(yàn)證實(shí)存在三種不同活性的RNA聚合酶3。以蛋白質(zhì)生成過(guò)程為例，核糖體RNA主要是由Pol I轉(zhuǎn)錄，核糖體蛋白的mRNA是由Pol II轉(zhuǎn)錄，tRNA是由Pol III轉(zhuǎn)錄。其中一個(gè)關(guān)鍵并且懸而未決的問(wèn)題是：這三種RNA聚合酶如何協(xié)調(diào)以確保不同轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物間的平衡。另外一個(gè)有意思的問(wèn)題是Pol III主要轉(zhuǎn)錄tRNA，但是其突變會(huì)導(dǎo)致不同組織的發(fā)育異常，也就是Pol III的轉(zhuǎn)錄如何產(chǎn)生組織特異性的影響？

北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心季雄研究員課題組在Genome Biology雜志在線(xiàn)發(fā)表了題為“Cross?regulome profiling of RNA polymerases highlights the regulatory roleof polymerase III on mRNA transcriptionby maintaining local chromatin architecture”的研究論文。研究者**在同一種細(xì)胞內(nèi)鑒定了三種RNA聚合酶的結(jié)合位點(diǎn)，研究了三者在全基因組水平上的交叉調(diào)控關(guān)系。研究者發(fā)現(xiàn)Pol III對(duì)Pol II轉(zhuǎn)錄調(diào)控影響*為廣泛，鑒于對(duì)現(xiàn)有交叉調(diào)控機(jī)理的系統(tǒng)梳理發(fā)現(xiàn)至少有50%以上的基因表達(dá)變化是先前模型不能解釋的，研究者提出并證實(shí)了Pol III-FACT通過(guò)局部染色質(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)控Pol II轉(zhuǎn)錄速率的新型機(jī)制。

研究者首先在小鼠胚胎干細(xì)胞中通過(guò)染色質(zhì)**沉淀實(shí)驗(yàn)（ChIP-seq）對(duì)Pol I、Pol II、Pol III的染色質(zhì)定位進(jìn)行了系統(tǒng)鑒定，發(fā)現(xiàn)三者除了分別在各自轉(zhuǎn)錄基因區(qū)存在特異性結(jié)合外，還在基因組上存在數(shù)百個(gè)臨近結(jié)合位點(diǎn)。進(jìn)一步通過(guò)Pol I、Pol II、Pol III的誘導(dǎo)性蛋白質(zhì)快速降解系統(tǒng)（degron），研究者分別降解其中一個(gè)進(jìn)行另外兩個(gè)的ChIP-seq實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)Pol III降解對(duì)Pol II的染色質(zhì)結(jié)合的影響是其中變化*大的一組（圖1）。而且Pol I、Pol II、Pol III降解前后的新生RNA檢測(cè)實(shí)驗(yàn)（PRO-seq），也證實(shí)Pol III降解會(huì)造成*多Pol II peak區(qū)的轉(zhuǎn)錄變化，因此研究者首要研究了Pol III對(duì)Pol II的轉(zhuǎn)錄調(diào)控作用。

研究者通過(guò)分析Pol III降解的PRO-seq和Pol II ChIP-seq信號(hào)在基因不同區(qū)域的變化情況，發(fā)現(xiàn)Pol III降解造成Pol II在一類(lèi)基因內(nèi)部區(qū)域的結(jié)合和轉(zhuǎn)錄信號(hào)增加，并且Pol III的其它亞基的降解也會(huì)造成類(lèi)似的Pol II轉(zhuǎn)錄變化，證實(shí)Pol III對(duì)Pol II介導(dǎo)的特異性基因的轉(zhuǎn)錄發(fā)揮調(diào)控作用。先前有三種模型來(lái)解釋不同RNA聚合酶之間的交叉調(diào)控：1）轉(zhuǎn)錄干擾模型認(rèn)為不同RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄的基因存在重疊時(shí)，干擾彼此間的轉(zhuǎn)錄過(guò)程；2）成環(huán)模型認(rèn)為不同RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄的基因間可以通過(guò)形成染色質(zhì)環(huán)彼此促進(jìn)轉(zhuǎn)錄；3）非編碼RNA模型認(rèn)為RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄的非編碼RNA可以直接調(diào)控另一種RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄機(jī)器的組裝。研究者發(fā)現(xiàn)至少有50%的Pol III影響的Pol II轉(zhuǎn)錄基因不能通過(guò)上述模型解釋。

為了進(jìn)一步探究這類(lèi)調(diào)控背后的分子機(jī)制，研究者首先比較了Pol III在染色質(zhì)上的結(jié)合和其發(fā)揮調(diào)控作用的這類(lèi)基因的位置關(guān)系，發(fā)現(xiàn)Pol III在其調(diào)控的這類(lèi)Pol II轉(zhuǎn)錄基因的啟動(dòng)子附近都有特異性結(jié)合，但是這些Pol III結(jié)合的位點(diǎn)并不是tRNA，因此意味著這些非編碼區(qū)結(jié)合的Pol III發(fā)揮著對(duì)Pol II的調(diào)控作用。通過(guò)檢測(cè)Pol III降解造成的染色質(zhì)開(kāi)放性和核小體占位變化（ATAC-seq），研究者發(fā)現(xiàn)Pol III降解特異性地造成調(diào)控基因的開(kāi)放性降低，核小體占位增加。因此Pol III通過(guò)在非編碼區(qū)的結(jié)合，造成臨近的Pol II基因區(qū)的核小體占位發(fā)生變化，從而調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄。結(jié)合定量質(zhì)譜實(shí)驗(yàn)，研究者鑒定出了Pol III降解造成FACT復(fù)合體與Pol II的互作減少，從而造成Pol II轉(zhuǎn)錄區(qū)的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)改變并導(dǎo)致其轉(zhuǎn)錄速率下降，從而導(dǎo)致Pol II在基因內(nèi)部區(qū)域堆積，并通過(guò)FACT的功能缺失實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步確認(rèn)了其在這一過(guò)程中發(fā)揮直接作用。

綜上，這項(xiàng)工作系統(tǒng)刻畫(huà)了不同RNA聚合酶的交叉調(diào)控關(guān)系，特別是Pol III通過(guò)在非基因區(qū)的結(jié)合，組織局部染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，幫助組蛋白分子伴侶FACT復(fù)合體結(jié)合染色質(zhì)，從而調(diào)控Pol II在多種功能基因區(qū)的轉(zhuǎn)錄速率。本研究也為認(rèn)識(shí)RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄交叉調(diào)控乃至RNA聚合酶III功能失常帶來(lái)的多種組織發(fā)育異常提供了新的視角。

季雄是本文的通訊作者，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院蔣永鵬博士、黃捷博士為本論文共同**作者。西湖大學(xué)郭天南課題組為研究提供了重要幫助。該工作得到科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、啟東**基金、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心、細(xì)胞增殖與分化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和北京大學(xué)博雅博士后基金的資助。北京大學(xué)鳳凰工程多個(gè)儀器平臺(tái)對(duì)本項(xiàng)目提供了大力支持。