文献解析|王维教授团队揭示人源SNAPc复合体调控snRNA基因转录起始的分子基础

引言

在真核生物中，小核RNA（snRNA）作为一类非编码RNA，在多种细胞基本生命活动中发挥着关键作用，如mRNA前体的剪接、基因表达的调控以及核糖体RNA的加工。snRNA的转录过程由特定的转录因子调控，其中，snRNA激活蛋白复合物（SNAPc）是一个关键的转录调控因子。它特异性地识别snRNA启动子的近端序列元件（PSE），并招募RNA聚合酶II或III来启动snRNA的转录。然而，尽管SNAPc在不同物种中的功能高度保守，但其组装机制以及如何特异性识别PSE序列并调节snRNA转录起始的分子机制，一直是生物学领域的未解之谜。

近日，山东大学高等医学研究院的王维教授团队在Nature Communications上发表了一篇题为“Structural basis of human SNAPc recognizing proximal sequence element of snRNA promoter”的研究论文，该研究首次以高分辨率展示了人源SNAPc核心组分与U6 PSE复合物的冷冻电镜结构，揭示了SNAPc的精确分子结构及其调控snRNA转录起始的分子机制。本文将对该研究进行详细的解析。

研究背景

snRNA作为真核生物细胞中的一类重要非编码RNA，主要参与mRNA前体的剪接过程。这一过程对于基因表达的调控至关重要，因为它能够确保mRNA的正确剪接和成熟，从而产生具有功能的蛋白质。此外，snRNA还参与核糖体RNA的加工，以及某些基因表达的调控。

SNAPc是一个由多个亚基组成的蛋白质复合物，它特异性地识别snRNA启动子的PSE序列，并招募RNA聚合酶II或III来启动snRNA的转录。尽管SNAPc在不同物种中的功能高度保守，但其组装机制以及如何特异性识别PSE序列并调节snRNA转录起始的分子机制，一直缺乏深入的了解。

研究方法

为了揭示SNAPc的精确分子结构及其调控snRNA转录起始的分子机制，王维教授团队采用了多种研究方法，包括冷冻电镜技术、SPR（表面等离子共振）和EMSA（电泳迁移率变动分析）等技术手段。

1. 冷冻电镜技术：该技术是一种高分辨率的结构生物学方法，能够直接观察生物大分子的三维结构。王维教授团队利用冷冻电镜技术，首次以3.49Å的分辨率展示了人源SNAPc核心组分与U6 PSE复合物的三维结构。这一结构揭示了SNAPc的精确分子结构，以及其核心亚基SNAP190、SNAP50和SNAP43如何组装成高转录活性的mini-SNAPc组件。
2. SPR技术：SPR技术是一种用于研究生物分子间相互作用的技术。王维教授团队利用SPR技术，系统分析了人源不同snRNA基因的PSE被SNAPc所识别的保守性及兼容性。这一研究为理解SNAPc如何特异性识别不同snRNA基因的PSE提供了重要线索。
3. EMSA技术：EMSA技术是一种用于研究DNA或RNA与蛋白质相互作用的电泳方法。王维教授团队利用EMSA技术，进一步验证了SNAPc与PSE序列的特异性相互作用，以及SNAPc与TFIIIB转录因子的互作关系。

研究结果

1. SNAPc的精确分子结构：研究首次揭示了SNAPc的精确分子结构，展示了其核心亚基SNAP190、SNAP50和SNAP43如何组装成高转录活性的mini-SNAPc组件。这一结构揭示了SNAPc的组装机制，以及其核心亚基之间的相互作用关系。
2. SNAPc特异性识别PSE序列的分子机理：研究鉴定了SNAPc特异识别PSE序列的关键残基，并解释了mini-SNAPc组件特异性识别U6 PSE的分子机理。这一发现为理解SNAPc如何特异性识别不同snRNA基因的PSE提供了重要依据。
3. SNAPc与TFIIIB转录因子的互作关系：研究在已解析结构的基础上，搭建了人源U6启动子的转录起始超级复合物（PIC）装配模型，并鉴定了SNAPc与TFIIIB转录因子互作的关键结构域CC-Rh domain。这一发现揭示了SNAPc与TFIIIB转录因子在snRNA转录起始过程中的协同作用机制。
4. Pol III依赖的U6 snRNA转录起始的分子机理：综合以上研究结果，研究详细解释了Pol III依赖的U6 snRNA转录起始的分子机理。这一发现为理解snRNA转录起始的分子机制提供了重要线索，也为未来设计更为高效的siRNA或CRISPR基因编辑系统提供了数据支撑。

研究意义

1. 揭示了SNAPc的精确分子结构：本研究首次以高分辨率展示了人源SNAPc核心组分与U6 PSE复合物的三维结构，揭示了SNAPc的精确分子结构及其组装机制。这一发现为理解SNAPc的结构和功能提供了重要依据，也为未来研究其他转录因子的结构和功能提供了借鉴。
2. 解释了SNAPc特异性识别PSE序列的分子机理：本研究鉴定了SNAPc特异识别PSE序列的关键残基，并解释了mini-SNAPc组件特异性识别U6 PSE的分子机理。这一发现为理解SNAPc如何特异性识别不同snRNA基因的PSE提供了重要线索，也为未来研究其他转录因子如何识别特定DNA序列提供了借鉴。
3. 揭示了SNAPc与TFIIIB转录因子的互作关系：本研究搭建了人源U6启动子的转录起始超级复合物（PIC）装配模型，并鉴定了SNAPc与TFIIIB转录因子互作的关键结构域CC-Rh domain。这一发现揭示了SNAPc与TFIIIB转录因子在snRNA转录起始过程中的协同作用机制，为理解snRNA转录起始的分子机制提供了重要线索。
4. 为设计更为高效的基因编辑系统提供了数据支撑：本研究详细解释了Pol III依赖的U6 snRNA转录起始的分子机理，为未来设计更为高效的siRNA或CRISPR基因编辑系统提供了数据支撑。这一发现有望推动基因编辑技术的发展和应用，为治疗遗传性疾病和癌症等疾病提供新的手段。

结论与展望

本研究通过高分辨率冷冻电镜技术、SPR和EMSA等技术手段，首次揭示了人源SNAPc复合体调控snRNA基因转录起始的分子基础。研究不仅展示了SNAPc的精确分子结构及其组装机制，还解释了SNAPc特异性识别PSE序列的分子机理，以及SNAPc与TFIIIB转录因子的互作关系。这些发现为理解snRNA转录起始的分子机制提供了重要线索，也为未来设计更为高效的基因编辑系统提供了数据支撑。

展望未来，研究者可以进一步深入研究SNAPc与其他转录因子的相互作用关系，以及SNAPc在不同细胞类型和生理条件下的功能差异。此外，研究者还可以利用SNAPc的结构和功能信息，开发针对SNAPc的靶向药物或基因疗法，为治疗遗传性疾病和癌症等疾病提供新的治疗策略。同时，本研究也为其他转录因子的结构和功能研究提供了借鉴和启示，有望推动转录调控领域的深入发展和创新。

总之，王维教授团队的研究工作为理解人源SNAPc复合体调控snRNA基因转录起始的分子基础做出了重要贡献，也为未来基因编辑技术的发展和应用提供了重要支撑。这一研究成果不仅具有重要的理论意义，也具有广泛的应用前景和潜在的临床价值。