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由RNA聚合酶所完成的遺傳信息自DNA至RNA的傳遞是中心法則的重要過程。在真核生物中，除了經典的RNA聚合酶I（Pol I）、Pol II、Pol III之外，在植物中有兩類特殊的RNA聚合酶：Pol IV和Pol V，特異性生成非編碼RNA，通過植物特有的RNA指導的DNA甲基化（RdDM）通路指導DNA甲基化的發生。其中Pol IV主要和RDR2共同合成雙鏈RNA由DCL3切割生成上游信號siRNA，而Pol V則負責在下游生成長非編碼RNA（lncRNA）作為支架招募下游的DNA甲基化酶和基因沉默因子。因此與其他RNA聚合酶相比，Pol V是一種不以生產并釋放RNA產物為目的，而是以染色質定位為主要目的的RNA聚合酶。其自身的動態轉錄和靜態染色質定位形成了鮮明的矛盾。
在前期解析了上游siRNA生物合成中DCL3的作用機制的基礎上，南方科技大學生命科學學院教授杜嘉木課題組進一步針對RdDM下游Pol V獨特的性質開展研究取得了重大突破，近日以“Structure and mechanism of the plant RNA polymerase V”為題在線發表在Science雜志上。
Pol V在植物體內豐度非常低，不適宜于開展結構測定工作，研究人員經過多年的探索，在中科院院士曹曉風研究員的建議下，采用食用花菜作為原料純化并解析了Pol V的高分辨率冷凍電鏡結構。盡管整體結構與其他RNA聚合酶類似，Pol V在活性位點體現出獨特的性質。在RNA聚合酶打開雙鏈DNA底物的位點，Pol V的第二個亞基NRPE2利用一個酪氨酸卡在DNA雙鏈打開的位置，阻滯了DNA的向前行進。酶活實驗也證實DNA的轉錄在雙鏈打開處有明顯的轉錄停頓現象。
此外，與大多數RNA聚合酶中非模版鏈DNA較為松散不同，Pol V中非模版鏈DNA被其NRPE2亞基緊密結合，NRPE2亞基如同轉錄的剎車板一樣，阻滯轉錄的同時還增強了Pol V的轉錄回溯，與Pol II相比，造成強烈的RNA產物降解，如果破壞了Pol V與非模版鏈的互作，則可大大減弱這種回溯降解。因此，Pol V利用了多種機制，一方面阻礙轉錄的行進，另一方面增強回溯，造成了其轉錄產物在染色質上踟躕不前，防止轉錄完成造成的染色質脫落，更好的行使了染色質定位的功能。
總體來講，該工作解析了最后一種結構未知的真核RNA聚合酶，Pol V，的功能機制，提出其通過滯留在染色質上而招募下游作用因子引起DNA甲基化和基因沉默的工作模型。
南科大生命科學學院博士生謝國輝、高級研究學者杜璇和訪問學者胡泓淼為該論文共同第一作者，南科大為論文第一單位，杜嘉木為論文的通訊作者，加州大學洛杉磯分校院士Steven E. Jacobsen、中國科學院遺傳發育所院士曹曉風和深圳大學教授李思思參與了課題。該工作得到了深圳市科創委、中國博士后基金會、國家自然科學基金及中科院的支持，冷凍電鏡數據采集和質譜實驗分別獲得了南方科技大學冷凍電鏡中心和分析測試中心的支持。
論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf8231
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