近期，中山大學(xué)腫瘤防治中心高嵩教授課題組先后報(bào)道了非經(jīng)典多聚腺苷聚合酶FAM46（又名TENT5）蛋白家族成員的首個(gè)晶體結(jié)構(gòu)，以及首個(gè)哺乳動(dòng)物的非經(jīng)典多聚腺苷聚合酶GLD-2（又名PAPD4）的結(jié)構(gòu)。在結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過(guò)一系列生化和細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)探索了FAM46蛋白家族和GLD-2在胚胎發(fā)育和抑制腫瘤發(fā)生等方面的生物學(xué)功能及其作用機(jī)制。這些工作拓展了人們對(duì)哺乳動(dòng)物RNA尾部加工的過(guò)程和生理意義的認(rèn)識(shí)。上述研究成果先后于2020年2月和9月發(fā)表于國(guó)際知名期刊《核酸研究》（Nucleic Acids Research，影響因子:11.5）。
RNA轉(zhuǎn)錄本的3’末端的延伸是真核細(xì)胞中普遍存在的分子生物學(xué)事件，也一種重要基因表達(dá)調(diào)控方式，其過(guò)程不依賴(lài)于DNA模板。RNA的3’末端延伸主要包括mRNA的多聚腺苷化（polyadenylation）以及microRNA的多種加尾修飾。近年來(lái)也有多種其它的延伸方式被陸續(xù)報(bào)道。這些加尾修飾對(duì)RNA的穩(wěn)定性具有決定性的影響。負(fù)責(zé)催化RNA的3’末端延伸的酶屬于多聚腺苷聚合酶，即poly(A) polymerase（PAP）蛋白超家族。PAP根據(jù)其功能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)又分為經(jīng)典型（canonical）和非經(jīng)典型（non-canonical）兩個(gè)亞類(lèi)。其中經(jīng)典性PAP主要負(fù)責(zé)mRNA在細(xì)胞核內(nèi)的多聚腺苷酸化，其性質(zhì)研究得較為清楚。而非經(jīng)典PAP（特別是哺乳動(dòng)物的非經(jīng)典PAP）種類(lèi)繁多，功能多樣。至今仍有許多非經(jīng)典PAP的結(jié)構(gòu)和具體功能未知。
圖：a和b為人的FAM46B蛋白的結(jié)構(gòu)和在多能干細(xì)胞中發(fā)揮功能的模式圖；c和d為大鼠的GLD-2的蛋白結(jié)構(gòu)和在哺乳動(dòng)物中通過(guò)不同的分子機(jī)制參與對(duì)各種RNA進(jìn)行轉(zhuǎn)錄后3’末端加工過(guò)程的模式圖。
FAM46蛋白家族是一類(lèi)潛在的非經(jīng)典PAP，僅在后生動(dòng)物中被發(fā)現(xiàn)。其具體生化性質(zhì)和生物學(xué)功能一直未知。高嵩課題組首先從結(jié)構(gòu)解析入手，解析了非洲爪蟾FAM46B的晶體結(jié)構(gòu)。根據(jù)結(jié)構(gòu)比對(duì)發(fā)現(xiàn)：FAM46蛋白家族與已知的所有真核生物PAP均有較大的結(jié)構(gòu)差異，而與原核生物的PAP結(jié)構(gòu)類(lèi)似。生化實(shí)驗(yàn)表明FAM46B偏好催化結(jié)尾含多個(gè)腺苷的RNA底物。FAM46B特異性的在人類(lèi)的胚胎早期和多能干細(xì)胞中高表達(dá)，且其表達(dá)水平并隨著細(xì)胞的分化顯著下降。有意思的是，F(xiàn)AM46B主要分布在細(xì)胞質(zhì)中，提示其可能作用于細(xì)胞質(zhì)中成熟mRNA。FAM46B的敲除為致死性的，其敲降能夠誘導(dǎo)細(xì)胞的凋亡并抑制蛋白的合成。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果提示FAM46B在特定物種中是一個(gè)發(fā)育早期關(guān)鍵的胞質(zhì)特異性PAP，其功能很可能是通過(guò)延長(zhǎng)成熟mRNA的poly(A)尾部增加mRNA的穩(wěn)定性，從而在轉(zhuǎn)錄被抑制的發(fā)育早期保證必要的翻譯效率。該研究拓展了人們對(duì)發(fā)育早期mRNA轉(zhuǎn)錄后調(diào)控的認(rèn)識(shí)，以及對(duì)FAM46家族PAP的了解。相關(guān)論文于2020年2月在線(xiàn)發(fā)表于《核酸研究》雜志。中山大學(xué)腫瘤防治中心高嵩教授，中國(guó)科學(xué)院上海營(yíng)養(yǎng)與健康研究所楊黃恬研究員，和南方科技大學(xué)陳煒教授為共同通訊作者；中山大學(xué)腫瘤防治中心博士生胡家麗，中國(guó)科學(xué)院上海營(yíng)養(yǎng)與健康研究所博士后梁賀，以及中山大學(xué)腫瘤防治中心博士后張虹為共同第一作者。
GLD-2是首個(gè)在后生動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)的非經(jīng)典PAP，并且是除FAM46家族蛋白外唯一所知的分布于胞質(zhì)的PAP。GLD-2的生理功能在線(xiàn)蟲(chóng)類(lèi)、果蠅和兩棲類(lèi)的爪蟾等模式生物已有相對(duì)深入的研究，其功能亦涉及胚胎早期發(fā)育調(diào)控相關(guān)的mRNA加尾。然而，哺乳動(dòng)物GLD-2的具體功能目前尚不十分清楚。有研究表明哺乳動(dòng)物的GLD-2還可作用于特定的microRNA并抑制腫瘤的發(fā)生發(fā)展。其具體機(jī)制不明。高嵩課題組解析了大鼠和小鼠GLD-2蛋白的晶體結(jié)構(gòu)。通過(guò)與線(xiàn)蟲(chóng)的GLD-2的結(jié)構(gòu)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：哺乳動(dòng)物GLD-2的PAP活性遠(yuǎn)高于線(xiàn)蟲(chóng)的GLD-2，且其PAP活性不依賴(lài)于與其他伴侶蛋白的相互作用。此外，哺乳動(dòng)物GLD-2相比于線(xiàn)蟲(chóng)GLD-2具有更利于和RNA結(jié)合的結(jié)構(gòu)特征，并展現(xiàn)出與microRNA加工酶TUT7的極高相似度。生化實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)了哺乳動(dòng)物GLD-2對(duì)不同序列的RNA底物均具有活性，并可利用多種核苷酸作為原料。這些結(jié)果證實(shí)了哺乳動(dòng)物GLD-2加工不同類(lèi)型RNA的活性，并解釋了相關(guān)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。該研究有助于人們進(jìn)一步了解GLD-2蛋白在哺乳動(dòng)物中發(fā)揮的具體生物學(xué)功能。相關(guān)論文于2020年7月在線(xiàn)發(fā)表于《核酸研究》雜志。中山大學(xué)腫瘤防治中心的高嵩教授為通訊作者；中山大學(xué)腫瘤防治中心的博士生馬小燕、博士后張虹為共同第一作者。
上述研究的X射線(xiàn)晶體衍射實(shí)驗(yàn)在上海同步輻射光源完成，獲得了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東特支計(jì)劃、以及華南腫瘤學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持。中山大學(xué)中山醫(yī)學(xué)院王繼廠(chǎng)教授、曹楠教授，腫瘤防治中心曾木圣教授，生命科學(xué)學(xué)院趙勇教授和復(fù)旦大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院王勇波教授及其課題組對(duì)上述研究也作出了重要貢獻(xiàn)。
文章鏈接：
https://doi.org/10.1093/nar/gkaa049 (FAM46B is a prokaryotic-like cytoplasmic poly(A) polymerase essential in human embryonic stem cells)
https://doi.org/10.1093/nar/gkaa578 (Structures of mammalian GLD-2 proteins reveal molecular basis of their functional diversity in mRNA and microRNA processing)
