RNA聚合酶（DdRPs, DNA-dependent RNA polymerases） 是由多亚基组成的复合物，负责转录生成不同类型的RNA，是中心法则的核心执行者。除了所有真核生物中均保守的Pols I-III外，植物则拥有两种由Pol II进化而来的特化的DdRPs， Pol IV和Pol V。两者均为植物特有的RdDM （RNA directed DNA methylation） 通路中的核心组分，其中Pol IV在通路的上游协同RDR2一起生成前体siRNA，而Pol V则在下游产生lncRNA （long non-coding RNA） 来招募DNA甲基转移酶从而引起基因组特定位点的基因沉默。因此与常规的DdRP转录并释放产物RNA不同，Pol V在功能上要求其滞留在染色质上起到染色质定位的功能。在过去的二十年，Pols家族的不同成员的结构陆续被解析，作为真核Pol的最后一员，Pol V的结构及其在RdDM通路中作为支架而滞留染色质的机制是领域内亟待解决的重要科学问题。

3月9日，南方科技大学杜嘉木教授课题组在Science发表了题为Structure and mechanism of the plant RNA polymerase V的研究论文，成功解析了植物Pol V结构及其染色质滞留机制。

Pol V作为调控因子其丰度非常低，因而研究的最大难题在于样本的获取。在遗传发育所曹晓风院士的建议下，研究人员利用富含RNA聚合酶的花菜作为实验材料，通过抗体富集了其中的Pol V，利用冷冻电镜解析了Pol V及Pol V转录延伸状态 （Pol V-EC） 复合物的结构。

图1. 真核生物中五种RNA聚合酶的结构

整体来看，Pol V呈现出与Pols其它成员较为相似的构象。Pol V的活性中心与其它Pols相比缺少活动性，导致Pol V具有相对较低的底物结合能力以及转录活性。在Pol V-EC复合物中，DNA和RNA形成的转录泡清晰可见，常规比较松散的非模板链DNA被NRPE2的Lobe和Fork结构域紧紧抓住。NRPE2的Tyr495伸入到双链DNA下游的分叉处，并与即将打开的碱基对形成堆积作用，同时与模板链磷酸基团形成氢键，增强了Pol V对转录泡的稳定作用。体外转录实验表明，由于Tyr495的阻碍作用，Pol V相对于Pol II的转录活性明显降低了，并出现转录停顿现象。提示了Pol V的间歇性转录以及 Pol V滞留在染色质上的分子机制。此外，研究人员在体外转录实验中发现Pol V具有很强转录回溯引起的3’-5’切割活性，这种活性依赖Mg2+。研究人员还根据Pol V-EC复合物结构设计了一系列精巧的酶活实验，发现Pol V的NRPE2与非模板链DNA之间的相互作用是导致转录回溯而进一步增强3’-5’切割活性的重要因素。

图2. Pol V的转录停顿和高强度回溯降解

总体来讲，由于Tyr495导致的转录停顿以及NRPE2与非模板链的互作引起的转录回溯增强，导致Pol V在前进和后退之间取得平衡，得以滞留在染色质上作为支架蛋白对下游作用因子进行招募。本项研究揭示了NRPE2引起的转录停顿和转录回溯增强的分子机制，提出了在RdDM通路中Pol V通过滞留在染色质上作为支架蛋白对下游作用因子进行招募，从而引起基因沉默的工作模型。

南方科技大学博士生谢国辉，高级研究学者杜璇（现深圳大学博后） ，胡泓淼博士 （现MRC分子生物实验室博后） 为该论文共同第一作者，南方科技大学杜嘉木教授为论文的通讯作者，加州大学洛杉矶分校Steven E. Jacobsen院士、中国科学院遗传发育所曹晓风院士以及深圳大学李思思教授参与了课题的开展。

南方科技大学杜嘉木教授课题组长期开展植物表观遗传调控的分子机制研究，长期招聘具备结构生物学、电镜、植物DNA甲基化/转录组分析等研究背景的博士后，欢迎有相关研究经历的研究人员联系，实验室依托南方科技大学将提供有竞争力的实验条件和个人待遇。

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http://doi.org/10.1126/science.adf8231