CSB和PCAF调控RNA聚合酶Ⅰ转录起始的表观遗传学机制

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核糖体RNA基因(rDNA)是位于细胞核核仁中的多拷贝基因。哺乳动物中,rDNA的转录由RNA聚合酶Ⅰ(PolⅠ)转录起始复合体执行。rDNA的转录速率受到多种表观遗传修饰因子的调控,进而影响核糖体的合成速率,调控细胞活动。  哺乳动物细胞中核糖体RNA基因拷贝以三种状态存在,即转录沉默状态(silent state)、驻留状态(poised state)和转录活跃状态(active state)。处于不同转录状态的rDNA有着不同的表观遗传修饰。研究发现,在转录沉默的rDNA拷贝上,一般具有异染色质组蛋白修饰以及DNA的甲基化,核小体位于转录起始位点下游(-132/+22),rDNA不能正常转录。驻留状态的rDNA既具有常染色质组蛋白修饰(H3K4me3),也具有异染色质组蛋白修饰(H3K27me3和组蛋白的去乙酰化),以及DNA的去甲基化,核小体同样位于转录起始位点的下游,有转录起始复合体前体(UBF和TIF-IB)的结合,具有潜在的转录活性,rDNA处于等待转录的状态。而活跃转录的rDNA上具有组蛋白乙酰化修饰及DNA的去甲基化,核小体位于转录起始位点的上游(-157/-2),暴露出转录起始位点,具有PolⅠ转录起始复合体的完全组装,rDNA可以正常转录。由此可见,rDNA从驻留状态向活跃状态的转换中发生了组蛋白的乙酰化,进而促进了PolⅠ的转录起始。  CSB(Cockayne syndrome group B)是科凯因氏综合症(Cockayne syndrome)的致病基因之一,其蛋白属于SWI/SNF家族,是ATP依赖的染色质改构因子,CSB可以将核小体从驻留状态的下游位置移动到活跃状态的上游位置。但关于CSB促进rDNA转录机制的报道仅限于编码区。本研究探讨了在rDNA启动子区,CSB和组蛋白乙酰转移酶PCAF(p300/CBP associated factor)协同构建了转录活跃状态的rDNA,从而促进PolⅠ转录起始的分子机制。  研究发现,PCAF、CSB和PolⅠ相互作用。PCAF属于组蛋白乙酰转移酶GCN5超家族,具有乙酰转移酶结构域(HAT)和Bromo结构域。PCAF和PolⅠ共定位于核仁,PCAF与CSB都结合rDNA的启动子区和编码区。减少内源CSB,可导致PCAF与rDNA启动子区的结合下调。过表达CSB,促进PCAF与rDNA启动子区的结合,而CSB的ATP酶结构域突变体(CSBK538R)丧失这一功能。反之,减少内源PCAF,不影响CSB与rDNA的结合。进一步研究还发现,PCAF与PolⅠ的相互作用依赖于CSB。这些都暗示了两者的招募关系,即CSB招募PCAF。  PCAF可以促进rDNA的转录。减少内源PCAF,抑制45S rRNA前体的合成。通过突变体的研究证实,PCAF结构域的完整性对于其功能的行使是十分重要的。HAT结构域和Bromo结构域突变后,PCAF不能结合到rDNA的启动子区,进而也影响PolⅠ与rDNA的结合,从而丧失了促进rDNA转录的功能。CSB与PCAF还具有协同促进rDNA转录的效应。  进一步研究表明,PCAF与转录活跃状态的rDNA相关。PCAF倾向于与未甲基化的rDNA相结合,且PCAF与CSB和PolⅠ位于同一段转录活跃的rDNA启动子区,而不与驻留状态的CHD4和沉默位置的TIP5共定位。PCAF与转录活跃状态的rDNA所具有的常染色质组蛋白修饰相结合,如H4ac和H3K9ac,而不与基因沉默的标记H3K27me3结合。  关于PCAF促进rDNA转录机制的研究发现,PCAF通过诱导rDNA上组蛋白的乙酰化来促进转录。减少内源PCAF,可导致rDNA启动子区H4ac和H3K9ac的结合下调。过表达PCAF,则提高了rDNA启动子区H4ac和H3K9ac的结合,PCAF的突变体不具有上述功能。为了进一步验证CSB与PCAF的关系,减少内源CSB,也导致rDNA启动子区H4ac和H3K9ac的结合下调。  综上,PCAF和CSB共同参与构建了转录活跃状态的rDNA所具有的染色质结构。首先,PCAF通过与CSB的相互作用,被招募到rDNA的启动子上。其次,在PCAF的作用下,rDNA上组蛋白H4及H3K9被乙酰化,最终导致RNA聚合酶Ⅰ转录起始复合体的完全组装,从而起始rDNA的转录。本研究揭示了染色质改构因子CSB和组蛋白乙酰转移酶PCAF相互协作,促进RNA聚合酶Ⅰ转录起始的全新分子机制。
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