ZFC3H1

10月25日，国际学术期刊Molecular Cell在线发表了中国科学院分子细胞科学卓越创新中心（生物化学与细胞生物学研究所）程红研究组与企业订阅用户周宇教授的最新合作研究成果：“Dual modes of ZFC3H1 confers selectivity in nuclear RNA sorting”。该工作提出并证明了“降解-预设”的RNA 分选新模型，改变了现有的“出核-预设”RNA分选观点。 遗传信息的传递和表达是一切生命活动的物质基础。在真核生物中，RNA聚合酶II转录产生多种类型的RNA，尽管这些RNA在基本结构上高度相似，但它们的命运却截然不同，有些RNA被顺利转运出核，而另一些则在细胞核中被迅速识别并降解。RNA能够被正确分选到出核或降解通路，是确保遗传信息精确表达的关键环节。 研究表明，出核与降解机器通过竞争结合新生RNA来完成RNA分选。目前，领域内普遍认为出核通路在RNA分选中占主导地位，只有那些未能与出核机器结合的RNA，才会被降解机器结合并清除。然而，这种以出核为主导的RNA分选机制可能无法有效保证异常RNA的快速清除，从而对细胞功能产生潜在影响。 外切体是细胞中最主要的RNA降解机器之一，几乎参与了每个RNA分子的命运调控。外切体功能的发挥依赖于接头因子，帮助其选择性降解不同类型的底物RNA。 PAXT复合体（PolyA eXosome Targeting connection）是外切体的一个重要接头因子，由MTR4和锌指蛋白ZFC3H1组成核心二聚体，并动态结合polyA结合蛋白PABPN1、锌指蛋白ZC3H3和RNA结合蛋白RBM26/27等。早期研究提出，PAXT主要结合在具有3′ polyA尾的成熟RNA上，通过MTR4招募外切体来降解这些底物。由于PAXT底物RNA与功能mRNA结构完全相同，其介导的RNA分选过程尤为具有挑战性。 在该研究中，意外发现ZFC3H1在转录早期便结合在pre-RNA（RNA前体）的5′端外显子和内含子上。有趣的是，ZFC3H1在此阶段处于自我封闭的模式，阻断了MTR4与外切体的结合，因此并不启动RNA降解。这种“占位”机制可以有效地防止出核因子过早结合而引起的RNA出核紊乱。 通过多组学分析，该研究全面解析了PAXT降解底物RNA的特征，包括较少的外显子，较短的长度和较长的polyA尾等。这些特征如何促使ZFC3H1从“占位”模式转换为“降解”模式呢？当RNA包含多个内含子时，剪接过程中出核因子会被招募，并向5′端传递，取代ZFC3H1；而对于少外显子的短RNA，其较长的polyA尾可有助于招募更多PAXT组分（如ZC3H3和RBM26/27），解除ZFC3H1的封闭状态，暴露MTR4，从而启动降解。 PAXT介导的RNA分选模型 综上所述，该研究揭示了新生RNA的命运最初被预设为降解，但伴随转录和加工过程的推进，其命运可被重塑，RNA的特征决定了其最终被分选为出核或降解通路。基于这一发现，研究人员提出了以降解为中心的RNA分选机制，既确保了异常RNA的快速降解，又保证了功能性RNA的高效出核。这一工作揭示了细胞核RNA分选的基本规律，深化了对遗传信息精准传递的理解。 分子细胞卓越中心程红研究员、企业订阅用户周宇教授和分子细胞卓越中心范静副研究员为该论文的共同通讯作者。程红组副研究员范静、博士研究生王怡旻、童登，周宇组博士研究生温苗苗为该文的共同第一作者。感谢分子细胞卓越中心细胞分析技术平台与分子生物学技术平台的大力支持。该项研究工作得到国家重点研发计划项目、国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项等项目的支持。中国科学院生物物理研究所薛愿超研究员、叶融博士，中国科学院遗传与发育生物学研究所陆发隆研究员，北京大学基础医学院云彩红教授、赵鹏博士，东北林业大学生命科学学院刘玉胜教授对该工作给予了重要支持和指导。 文章链接： https://doi.org/10.1016/j.molcel.2024.09.032 原文链接： https://cemcs.cas.cn/kyjz/202410/t20241029_7409852.html 本文仅用于学术分享，转载请注明出处。若有侵权，请联系微信：bioonSir 删除或修改！

引言 遗传信息的传递和表达是一切生命活动的物质基础。在真核生物中，RNA聚合酶II转录产生多种类型的RNA，尽管这些RNA在基本结构上高度相似，它们的命运却截然不同：有些RNA被顺利转运出核，而另一些则在细胞核中迅速被识别并降解。RNA能够正确地被分选到出核或降解通路，是确保遗传信息精确表达的关键环节。研究表明，出核与降解机器通过竞争结合新生RNA来完成RNA分选。目前，领域内普遍认为出核通路在RNA分选中占主导地位，只有那些未能与出核机器结合的RNA，才会被降解机器结合并清除。然而，这种出核主导的RNA分选机制可能无法有效保证异常RNA的快速清除，从而对细胞功能产生潜在影响。 2024年10月25日，中国科学院分子细胞科学卓越创新中心程红课题组与企业订阅用户周宇教授合作，在Molecular Cell期刊在线发表了题为 Dual modes of ZFC3H1 confers selectivity in nuclear RNA sorting 的研究论文，提出并证明了“降解-预设”的RNA 分选新模型，改变了现有的“出核-预设”的RNA分选观点。 外切体是细胞中最主要的RNA降解机器之一，几乎参与了每个RNA分子的命运调控。外切体功能的发挥依赖于接头因子，帮助其选择性降解不同类型的底物RNA。PAXT复合体（PolyA eXosome Targeting connection）是外切体的一个重要接头因子，由MTR4和锌指蛋白ZFC3H1组成核心二聚体，并动态结合polyA结合蛋白PABPN1、锌指蛋白ZC3H3和RNA结合蛋白RBM26/27等。早期研究提出， PAXT主要结合在具有3′ polyA尾的成熟RNA上，通过MTR4招募外切体来降解这些底物。由于PAXT底物RNA与功能mRNA结构完全相同，其介导的RNA分选过程尤为具有挑战性。 在本研究中，意外发现ZFC3H1在转录早期便结合在pre-RNA（RNA前体）的5′端外显子和内含子上。有趣的是， ZFC3H1在此阶段处于自我封闭的模式，阻断了MTR4与外切体的结合，因此并不启动RNA降解。这种“占位”机制可以有效地防止出核因子过早结合而引起的RNA出核紊乱。通过多组学分析，该研究全面解析了PAXT降解底物RNA的特征，包括较少的外显子，较短的长度和较长的polyA尾等。这些特征如何促使ZFC3H1从“占位”模式转换为“降解”模式呢？当RNA包含多个内含子时，剪接过程中出核因子会被招募，并向5′端传递，取代ZFC3H1；而对于少外显子的短RNA，其较长的polyA尾可有助于招募更多PAXT组分（如ZC3H3和RBM26/27），解除ZFC3H1的封闭状态，暴露MTR4，从而启动降解。 综上所述，本研究揭示了新生RNA的命运最初被预设为降解，但伴随转录和加工过程的推进，其命运可被重塑，RNA的特征决定了其最终被分选为出核或降解通路。基于这一发现，研究人员提出了以降解为中心的RNA分选机制，既确保了异常RNA的快速降解，又保证了功能性RNA的高效出核。这一工作揭示了细胞核RNA分选的基本规律，深化了对遗传信息精准传递的理解。 模式图（Credit: Molecular Cell） 参考文献 https://doi.org/10.1016/j.molcel.2024.09.032 责编|探索君 排版|探索君 来源|BioArt End 往期精选 围观 一文读透细胞死亡(Cell Death) | 24年Cell重磅综述（长文收藏版） 热文 Cell | 是什么决定了细胞的大小？ 热文 Nature | 2024年值得关注的七项技术 热文 Nature | 自身免疫性疾病能被治愈吗？科学家们终于看到了希望 热文 CRISPR技术进化史 | 24年Cell综述

▎药明康德内容团队编辑近两年来，利用人工智能（AI）设计全新蛋白分子不断取得突破性进展。多篇论文已经展示了利用机器学习，更精准、更快速地按需设计蛋白质分子的能力。今日，华盛顿大学David Baker教授团队在顶尖学术期刊《自然》上发表最新研究，描述了一种从头设计蛋白的全新方法，借鉴大自然中天然重复蛋白与包含重复多肽序列的蛋白相结合的机制。研究人员开发了一种针对重复多肽序列，从头设计结合蛋白的通用策略。它能够生成高度稳定，具有高度特异性和亲和力的结合蛋白。研究人员指出，这一策略可以用于靶向包含重复多肽序列的蛋白靶点（比如突变亨廷顿蛋白），并且可以扩展到靶向包含无序结构的不可成药靶点。借鉴大自然靶向包含重复多肽序列的蛋白生成与靶点蛋白或者多肽结合的蛋白质无论对基础科学研究还是新药开发来讲都具有重要意义。然而大自然中很多蛋白或者多肽在游离状态下并没有确定的三维结构，给设计与它们结合的蛋白带来挑战。这项研究中，Baker教授的团队借鉴了自然界中重复蛋白的作用机制。比如犰狳重复蛋白（armadillo-repeat proteins）包含着重复出现的结合模块，每个模块可以与特定的重复多肽序列结合，多个模块组合在一起，可以与包含多个重复多肽序列的蛋白产生高亲和力、高特异性的相互作用。研究人员根据结合模块与重复多肽序列相互作用的机理，摸索出一套通用的结合模块设计规则，可以针对任何重复多肽序列，设计出与之结合的蛋白模块，这些模块可以一对一地和重复多肽序列结合，构成稳定的超螺旋结构。研究人员利用生物化学检测、细胞培养和三维晶体结构分析对设计出的结合蛋白与靶点多肽之间的相互作用进行了分析。实验结果显示利用这种策略设计的结合蛋白能够与多种包含重复多肽序列的蛋白以高亲和力和高特异性结合，亲和力达到nM和pM级别。▲针对重复多肽序列设计结合模块的策略（图片来源：参考资料[1]）靶向内在无序蛋白，开辟蛋白设计新策略下一步，研究人员将目标转向内在无序蛋白（intrinsically disordered proteins）。这些蛋白的序列中包含着大段不产生稳定三维结构的序列，让针对它们的新药开发困难重重。研究人员的设想是设计出一系列结合模块，每个结合模块和无序片段中的一小段多肽序列结合，然后将这些结合模块串联起来，构成的结合蛋白就可以产生具有高亲和力和高特异性的相互作用。在这项研究中，科学家们针对名为ZFC3H1的靶点蛋白的无序片段，设计出由多个结合模块组成的结合蛋白。团队设计的8个结合蛋白中7个可以与ZFC3H1结合。其中亲和力最高的结合蛋白能够与ZFC3H1构成的天然复合体PAXT在生理环境下结合。研究人员指出，这项研究证明了通过解析重复蛋白与重复多肽序列结合的规则，可以设计出以高亲和力和高特异性与多肽序列结合的蛋白模块。这一策略可以用于靶向包含重复多肽序列的疾病相关蛋白，比如突变的亨廷顿蛋白。此外，将识别不同双肽、三肽、和四肽序列的模块融合在一起，可以特异性识别非重复多肽序列。这项研究也显示了利用人工智能，靶向没有固定三维结构的多肽或者内在无序蛋白的能力。由于设计出的结合蛋白非常稳定，并且可以高度表达，研究人员表示它们具有广阔的应用前景。不断推动蛋白设计的前沿自从AlphaFold在精准解析蛋白质三维结构上获得突破以来，利用人工智能平台设计蛋白领域的突破接连不断。在2022年3月，Baker教授团队在《自然》杂志上发表的研究显示，只需要知道靶点蛋白的结构信息，就能设计出与它们高亲和力结合的迷你蛋白。同年9月，这一团队在《科学》杂志上发表的两篇论文将设计蛋白质的时间长度从“月”缩短至“秒”。2022年11月，Baker教授课题组和Generate Biomedicines公司同时发表研究结果，推出了基于新算法的AI平台，具有按照研究人员的要求，定制具有特定特征的全新蛋白结构的能力。今年2月，Baker教授团队在《自然》上发表的研究宣告了首个从头设计的酶分子的诞生。不到两个月，今日的论文进一步扩展了人工智能设计蛋白质的策略，让靶向更多不可成药靶点成为可能。期待这些蛋白设计上的进步早日转化成为治疗疾病的新药好药，为更多患者造福。大家都在看药明康德为全球生物医药行业提供一体化、端到端的新药研发和生产服务，服务范围涵盖化学药研发和生产、生物学研究、临床前测试和临床试验研发、细胞及基因疗法研发、测试和生产等领域。如您有相关业务需求，欢迎点击下方图片填写具体信息。▲如您有任何业务需求，请长按扫描上方二维码，或点击文末“阅读原文/Read more”，即可访问业务对接平台，填写业务需求信息▲欲了解更多前沿技术在生物医药产业中的应用，请长按扫描上方二维码，即可访问“药明直播间”，观看相关话题的直播讨论与精彩回放参考资料：[1] Wu et al., (2023). De novo design of modular peptide-binding proteins by superhelical matching. Nature, https://doi.org/10.1038/s41586-023-05909-9免责声明：药明康德内容团队专注介绍全球生物医药健康研究进展。本文仅作信息交流之目的，文中观点不代表药明康德立场，亦不代表药明康德支持或反对文中观点。本文也不是治疗方案推荐。如需获得治疗方案指导，请前往正规医院就诊。版权说明：本文来自药明康德内容团队，欢迎个人转发至朋友圈，谢绝媒体或机构未经授权以任何形式转载至其他平台。转载授权请在「药明康德」微信公众号回复“转载”，获取转载须知。分享，点赞，在看，聚焦全球生物医药健康创新