木質(zhì)纖維素的高效降解是纖維素基液體燃料,與沼氣等清潔能源產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵瓶頸之一，也是生物圈碳循環(huán)和生態(tài)平衡的重要環(huán)節(jié)。
近日，中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所,在纖維素生物降解機(jī)制研究中取得突破，發(fā)現(xiàn)了一種基于RNA選擇性剪切與保護(hù)的嶄新調(diào)控方式。該工作于4月24日在線(xiàn)發(fā)表于NatureCommunications。
“纖維小體”（cellulosome）是自然界中降解纖維素最快的蛋白質(zhì)分子機(jī)器。它是纖維素酶的復(fù)合體，由可多達(dá)幾十個(gè)在功能上協(xié)同合作的亞基組成。而維持這些蛋白質(zhì)亞基之間特定的化學(xué)計(jì)量比例（stoichiometry）對(duì)于高效降解纖維素至關(guān)重要。
但是，細(xì)胞是如何編碼、識(shí)別和控制這一特定的化學(xué)計(jì)量比例呢？
青島能源所單細(xì)胞研究中心功能基因組團(tuán)隊(duì)副研究員許成鋼、博士研究生黃冉冉等以解纖維梭菌（Clostridiumcelluloyticum）為模式物種，通過(guò)差異RNA測(cè)序技術(shù)（dRNA-Seq），在全基因組水平對(duì)轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)（transcriptionalstartsites,TSs）和轉(zhuǎn)錄后剪切位點(diǎn)進(jìn)行了精確定位（post-transcriptionalprocessedsites,PSs），發(fā)現(xiàn)選擇性RNA剪切和保護(hù)機(jī)制（SelectiveRNAProcessingandStabilization）在轉(zhuǎn)錄后水平精確地控制著纖維小體的化學(xué)計(jì)量比例（如圖）。
許成鋼等證明，包含12個(gè)基因的纖維小體基因簇cip-cel屬于同一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位，即同一個(gè)操縱子。但是，它們?cè)谵D(zhuǎn)錄本層面的豐度比例卻是奇怪的100:110:9:8:38:5:4:2:3:2:3:5，而且與蛋白質(zhì)層面的豐度比例成正相關(guān)。
深入研究發(fā)現(xiàn)，這些基因的間隔區(qū)分布有至少五個(gè)核糖核酸內(nèi)切酶的剪切位點(diǎn)，導(dǎo)致cip-cel操縱子初始轉(zhuǎn)錄的多順?lè)醋觤RNA被剪切成至少六個(gè)RNA片段。而這些RNA片段3’端的頸環(huán)結(jié)構(gòu)因其二級(jí)結(jié)構(gòu)的
有趣的是，這些頸環(huán)結(jié)構(gòu)在相關(guān)細(xì)菌的纖維小體基因簇中既相對(duì)保守，又有物種特異性。因此，研究人員提出，在活體細(xì)胞中，纖維小體化學(xué)計(jì)量比例是由基因間DNA序列,通過(guò)頸環(huán)結(jié)構(gòu)的折疊能量精確編碼的，并通過(guò)核糖核酸酶對(duì)RNA上這些位點(diǎn)的特異性識(shí)別、剪切和選擇性保護(hù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)纖維小體“配方”的精確控制，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)著物種纖維素降解能力的進(jìn)化。
這種新發(fā)現(xiàn)的蛋白復(fù)合體化學(xué)計(jì)量比例編碼、識(shí)別和控制機(jī)制，既簡(jiǎn)潔又巧妙。它保障了纖維小體的“家傳配方”得以可靠地繼承，同時(shí)保證了配方中的諸多“配料”能夠同時(shí)、同步且嚴(yán)格地按照指定的比例來(lái)供應(yīng)、搭配和組裝成一個(gè)精密、復(fù)雜的分子機(jī)器。這一新發(fā)現(xiàn)很可能代表著一種共性規(guī)律，也適用于細(xì)胞中其它蛋白質(zhì)分子機(jī)器的設(shè)計(jì)和裝配。
該研究為“超級(jí)纖維小體”和“超級(jí)纖維素降解細(xì)胞”的人工設(shè)計(jì)和定制化裝配開(kāi)辟了一個(gè)新方向和新思路。這些發(fā)現(xiàn)還預(yù)示著一系列基于選擇性RNA剪切與保護(hù)來(lái)精確編碼與調(diào)控蛋白復(fù)合體“配方”的合成生物學(xué)新工具。
該研究獲得了科技部“973”計(jì)劃和基金委國(guó)家杰出青年基金等支持，由青島能源所研究員徐健主持的單細(xì)胞研究中心功能基因組團(tuán)隊(duì),與研究員崔球主持的合成生物技術(shù)研究中心代謝物組學(xué)團(tuán)隊(duì)合作完成。
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