分子植物卓越中心等解析植物中独特的双链RNA合成机制

转座子（transposon）最早由美国遗传学家Barbara McClintock在玉米中发现，在细菌、病毒以及真核生物的基因组中广泛分布。转座子类似内源性病毒，能够在宿主基因组中“复制和粘贴”自己的DNA，以达到其自我“繁殖”的目的。活跃的转座子对基因组的稳定构成严重威胁，高等生物通过对转座子DNA进行甲基化修饰将其沉默来维持基因组的稳定性。

RNA导向的DNA甲基化（RdDM）途径是高等植物基因组甲基化的重要途径。在该途径中，植物独有的两个RNA聚合酶（Pol IV和Pol V）发挥了核心作用。Pol IV与RDR2合作产生小干扰RNA的dsRNA前体，经过加工后形成24个碱基的小干扰RNA，随后这些小干扰RNA在Argonaut蛋白的帮助下与RNA聚合酶Pol V产生的scaf⁃fold RNA配对，从而招募DNA甲基转移酶（DRM2）完成DNA的甲基化。

Pol IV和Pol V作为真核生物的第四个和第五个多亚基RNA聚合酶，其基因转录区域、转录起始、延伸和终止机制、转录调控方式均和Pol I、Pol II和Pol III有较大区别。Pol IV转录的独特之处在于，Pol IV能够与RDR2形成复合物，直接以双链的基因组DNA为模板催化dsRNA的合成。虽然植物Pol IV和Pol V于2005年被发现，但其三维结构仍然未被报道，影响了关于Pol IV和Pol V的进一步深入研究。

近期，中国科学院分子植物科学卓越创新中心张余研究团队、王佳伟研究团队以及浙江大学冯钰团队合作，首次解析了植物Pol IV的结构，揭示了植物Pol IV-RDR2两种RNA聚合酶组装成的独特复合物构造，并提出了Pol IV-RDR2以底物内部传递的机制实现双链DNA为模板合成双链RNA。

该研究克服了低丰度超大蛋白质复合物的制备瓶颈，通过拟南芥的悬浮细胞体系纯化了内源的Pol IV-RDR2复合物，随后通过冷冻电镜单颗粒重构技术，解析了Pol IV-RDR2全酶和Pol IV-RDR2转录延伸复合物冷冻电镜结构，结合生物化学和遗传学实验进一步阐明了Pol IV和RDR2协作的分子机制。

研究发现，三维结构支持Pol IV由Pol II进化而来，然而几亿年的进化使Pol IV的催化中心和外部结构单元与Pol II有所不同。首先，Pol IV蛋白的外部结构单元不能与TFIIB、TFIIE、TFIIF等Pol II特异转录起始因子相互作用，从而保证了Pol IV与Pol II的转录相互独立。其次，Pol IV催化中心的核心元件发生变化，提示Pol IV转录过程容易发生停滞和倒退。

该研究最有意义的发现在于Pol IV和RDR2形成一个稳定的复合物，且这两个聚合酶的催化中心由一个内部的通道相连接，Pol IV以双链DNA为模板合成的单链RNA通过这个内部通道直接传递给RDR2，从而RDR2能够以这条单链RNA为模板输出双链RNA。据此，研究人员提出了Pol IV-RDR2复合物以RNA内部传递的机制实现双链DNA为模板合成双链RNA的模型。首先，Pol IV在基因组DNA上前进，以双链DNA为模板合成一定长度的单链RNA，在转录延伸过程中由于染色体的多重障碍以及Pol IV的内在性质导致Pol IV转录暂停并发生倒退，在Pol IV倒退的过程中，Pol IV合成的单链RNA从内部通道进入RDR2的催化中心，该单链RNA随后被RDR2用作模板合成双链RNA。RDR2在合成双链RNA的过程中会促使Pol IV合成的单链RNA逐渐从Pol IV的催化中心解离。最后，RDR2完成双链RNA的合成和释放。上述特殊的作用机制能够保证Pol IV合成的单链RNA直接传递至RDR2，防止单链RNA的降解，另外，Pol IV-RDR2经过一轮双链RNA合成之后，又回到转录起点，能够开始下一轮双链RNA合成，高效地实现了双链RNA的扩增。

该研究首次揭示了真核生物第四个多亚基RNA聚合酶的三维构造，阐明了两种RNA聚合酶Pol IV和RDR2协作转录的独特分子机制，回答了RdDM途径中双链RNA如何合成的科学问题。研究结果拓展了真核生物RNA聚合酶结构和功能的多样性，加深了对植物表观遗传机制的理解。

相关成果以Pol IV and RDR2:A two-RNA-polymerase machine that produces dou⁃ble-stranded RNA为题，于12月24日发表在《科学》上。研究得到国家自然科学基金、中科院战略性先导科技专项、上海市基础研究特区计划项目和中科院重点部署项目的资助。