程紅課題組主要圍繞“新生RNA出核和降解的命運決定與調(diào)控”這一基因表達領(lǐng)域的關(guān)鍵科學問題，就“mRNA出核與加工的復雜關(guān)聯(lián)”、“RNA的質(zhì)量控制和核內(nèi)降解及其調(diào)控”這兩個研究方向，開展了深入系統(tǒng)的研究，取得了一系列前沿性進展。僅在2019年，程紅課題組就已在Mol Cell、Genes Dev、EMBO J和PNAS 雜志上先后發(fā)表了4篇研究論文。

 關(guān)于mRNA出核與加工的關(guān)聯(lián)，已有工作多數(shù)集中在mRNA加工如何影響mRNA出核轉(zhuǎn)運方面，對于出核因子如何反向調(diào)控轉(zhuǎn)錄、mRNA加工等基因表達上游步驟的研究還極其有限。程紅課題組基于前期關(guān)于出核因子ALYREF結(jié)合在mRNA 3'端區(qū)域的發(fā)現(xiàn)，推測mRNA出核因子可能參與調(diào)控3'端加工[1]。

與田斌研究組合作，于2月25日在Mol Cell 上發(fā)表了題為“The mRNA export receptor NXF1 coordinates transcriptional dynamics, alternative polyadenylation, and mRNA export”的研究論文。該研究利用3'測序技術(shù)，發(fā)現(xiàn)當下調(diào)mRNA出核受體NXF1或TREX復合體組分的表達時，近端polyA位點被廣泛優(yōu)先使用，產(chǎn)生具有短3'非翻譯區(qū)的mRNA異構(gòu)體，其中以NXF1的作用最為顯著。通過系統(tǒng)分析3'測序結(jié)果，鑒定到了兩種全新調(diào)控可變加尾的基因特征：基因尺寸和3'外顯子的AT豐度。

進一步的機制探索發(fā)現(xiàn)，NXF1結(jié)合在活躍轉(zhuǎn)錄的基因上并與RNA聚合酶II互作，顯著促進其在基因3'端的轉(zhuǎn)錄延伸，這與NXF1輔助遠端polyA位點使用的功能高度吻合。在成熟mRNA上，NXF1通過與3'加工因子CFI互作，結(jié)合長3'非翻譯區(qū)異構(gòu)體的UGUA元件，并促進其出核轉(zhuǎn)運[2]。

此項工作發(fā)現(xiàn)了NXF1協(xié)同mRNA轉(zhuǎn)錄延伸、可變加尾和出核轉(zhuǎn)運的關(guān)聯(lián)性功能模式，揭示了其在基因表達網(wǎng)絡(luò)中的中心樞紐作用（圖1）。

圖1.NXF1協(xié)同調(diào)控轉(zhuǎn)錄延伸、可變加尾和mRNA出核轉(zhuǎn)運過程

在真核細胞中，絕大多數(shù)的mRNA具有polyA尾。編碼組蛋白的mRNA (histone mRNA)是唯一一類無polyA尾的mRNA，其3'端以高度保守的莖環(huán)結(jié)構(gòu)結(jié)尾。Histone mRNA編碼的組蛋白在核小體組裝、細胞增殖等重要生物學過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用[3-4]。

3月11日，程紅課題組在EMBO J上在線發(fā)表了題為“ALYREF links 3'-end processing to nuclear export of non-polyadenylated mRNAs”的研究論文[5]。通過對前期ALYREF-iCLIP數(shù)據(jù)的深度挖掘，發(fā)現(xiàn)ALYREF不僅結(jié)合polyA+ mRNA，還廣泛而特異地結(jié)合在histone mRNA的莖環(huán)結(jié)構(gòu)區(qū)域，并在其加工和出核過程中均發(fā)揮重要功能：一方面ALYREF通過與核心加工因子直接互作輔助其招募，從而激活3'端加工；另一方面，ALYREF通過招募出核受體NXF1，促進histone mRNA的出核轉(zhuǎn)運。非常有趣的是，3'端加工顯著促進ALYREF的招募和histone mRNA的出核（圖2）。

此項工作揭示了mRNA出核因子ALYREF協(xié)同調(diào)控histone mRNA加工和出核的功能機制，推進了對組蛋白基因表達調(diào)控的理解。重要的是，該工作與前述關(guān)于NXF1的研究發(fā)現(xiàn)[2]，共同揭示了RNA出核因子通過協(xié)同RNA加工和出核，反向調(diào)控新生轉(zhuǎn)錄本命運的普遍規(guī)律，這種反向調(diào)控可能對于遺傳信息的精準表達至關(guān)重要。

圖2. ALYREF協(xié)同調(diào)控histone mRNA的加工和出核

基于以上工作及已有研究，mRNA加工與出核之間的偶聯(lián)和協(xié)同關(guān)系已明確建立。為確?；虮磉_高效、準確地完成，細胞需要協(xié)調(diào)pre-mRNA加工和mRNA出核轉(zhuǎn)運之間的平衡，然而這種平衡背后的分子機制尚不清楚。

3月28日，程紅課題組在Proc Natl Acad Sci USA上在線發(fā)表了題為“A U2-snRNP-independent role of SF3b in promoting mRNA export”的研究論文[6]。SF3b作為核心剪接因子U2 snRNP的組分，在pre-mRNA剪接和3'端加工中均發(fā)揮重要功能[7-10]。該工作意外發(fā)現(xiàn)，SF3b廣泛結(jié)合成熟mRNA，通過結(jié)合并招募重要出核因子THO，促進mRNA出核轉(zhuǎn)運。非常有趣的是，SF3b以一種互斥的方式，或組裝到U2 snRNP輔助pre-mRNA加工，或組裝到成熟mRNP促進其出核轉(zhuǎn)運（圖3）。

此項工作揭示了SF3b促進mRNA出核的全新功能機制，并首次提出了mRNA加工與出核之間通過競爭達到平衡的新概念。

  圖3. SF3b協(xié)調(diào)mRNA加工和出核之間的平衡

基于前期RNA出核或降解的分選機制和時空特性的發(fā)現(xiàn)[11-13]，程紅課題組探索了RNA分選的重要調(diào)控模式。截至目前，對于RNA外切復合體（the RNA exosome complex）的研究主要集中在其輔助因子的鑒定和功能上，而對于其負向調(diào)控幾乎一無所知。

與云彩紅、李勁松和周宇課題組合作，程紅課題組在Genes Dev上發(fā)表了題為“NRDE2 negatively regulates exosome functions by inhibiting MTR4 recruitment and exosome interaction”的研究論文，發(fā)現(xiàn)NRDE2是exosome的負調(diào)控因子[14]。在細胞中NRDE2主要定位在核斑小體中，與MTR4形成1∶1的復合體，抑制MTR4的招募和RNA降解，從而確保核斑小體中RNA的有效出核轉(zhuǎn)運。

進一步機制研究揭示，NRDE2通過占據(jù)MTR4上的關(guān)鍵位點、將MTR4鎖定在一種“閉合”構(gòu)象這樣兩種方式，拮抗MTR4與CBC和ZFC3H1等多種重要招募因子間的相互作用，廣泛抑制MTR4的招募。值得一提的是，NRDE2還抑制MTR4與exosome互作，提供另一重要層面的負向調(diào)控。這種NRDE2介導的exosome負向調(diào)控，對于小鼠胚胎干細胞的干性維持十分關(guān)鍵(圖4)。此項研究發(fā)現(xiàn)并闡釋了負調(diào)控因子NRDE2抑制exosome復合體的多層次功能機制，提供了一種RNA出核和降解的重要調(diào)控模式。

圖4.NRDE2負向調(diào)控exosome復合體的多層次功能，確保RNA的有效出核轉(zhuǎn)運

這些工作同時也得到了北京大學醫(yī)學部黃超蘭教授、上海交通大學醫(yī)學院附屬第九人民醫(yī)院黃晶教授和雷鳴教授、生化與細胞所李黨生研究員和黃旲研究員、中科院大連化物所李國輝研究員以及中科院上海營養(yǎng)與健康研究院金穎研究員的大力支持。

綜上所述，程紅課題組就“新生RNA出核和降解的命運決定與調(diào)控”這一關(guān)鍵科學問題進行了深入系統(tǒng)研究，揭示了RNA轉(zhuǎn)運與降解的全新調(diào)控模式與機制，加深與拓展了對遺傳信息高效、精準傳遞的理解，還可能為相關(guān)疾病的診治提供新的線索和策略。

程紅課題組自成立以來，持續(xù)思考并致力于回答基因表達領(lǐng)域里的重要科學問題，逐步完善了高效的實驗體系，培養(yǎng)了一支團結(jié)奮進、積極進取的研究隊伍，與國內(nèi)外多個優(yōu)秀團隊建立了良好的合作關(guān)系，得到了國內(nèi)RNA領(lǐng)域的前輩和同行的大力支持，這些都是課題得以順利完成的重要保證。

Reference:

1. Shi, M., etal., ALYREF mainly binds to the 5' andthe 3' regions of the mRNA in vivo. Nucleic Acids Res, 2017. 45(16): 9640-9653.

2. Chen,S., et al., The mRNA Export Receptor NXF1Coordinates Transcriptional Dynamics, Alternative Polyadenylation, and mRNAExport.Mol Cell, 2019.

3. Marzluff,W.F. and R.J. Duronio, Histone  mRNAexpression: multiple levels of cell cycle regulation and importantdevelopmental consequences. Curr Opin Cell Biol, 2002. 14(6): 692-699.

4. Marzluff, W.F., Metazoan replication-dependent histone mRNAs: a dis tinct set of RNA polymerase II transcripts. Curr Opin Cell Biol, 2005, 17(3): 274-80.

5. Fan,J., et al., ALYREF links 3'-endprocessing to nuclear export of non-polyadenylated mRNAs. EMBO J, 2019.

6. Wang,K., et al., A U2-snRNP-independent roleof SF3b in promoting mRNA export. Proc Natl Acad Sci U S A, 2019.

7. Will,C.L. and R. Luhrmann, Spliceosomestructure and function. Cold Spring Harb Perspect Biol, 2011. 3(7).

8. Wang,C., et al., Phosphorylation ofspliceosomal protein SAP 155 coupled with splicing catalysis. Genes Dev,1998. 12(10): 1409-1414.

9. Kyburz A., et al., Direct interactions betweensubunits of CPSF and the U2 snRNP contribute to the coupling of pre-mRNA 3' endprocessing and splicing.  Mol Cell, 2006, 23(2): 195-205.

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11. Fan,J., et al., Exosome cofactor hMTR4competes with export adaptor ALYREF to ensure balanced nuclear RNA pools fordegradation and export. EMBO J, 2017. 36(19): 2870-2886.

12. Wang,K., et al., Intronless mRNAs transitthrough nuclear speckles to gain export competence. J Cell Biol, 2018. 217(11): 3912-3929.

13. Fan,J., et al., mRNAs are sorted for exportor degradation before passing through nuclear speckles. Nucleic Acids Res,2018. 46(16): 8404-8416.

14. Wang,J., et al., NRDE2 negatively regulatesexosome functions by inhibiting MTR4 recruitment and exosome interaction. Genes Dev, 2019.