食堂讨论带来灵感，两名学者解开植物学难题成果登上《科学》

转座子最早由美国遗传学家Barbara McClintock在玉米基因组中发现，它在高等生物基因组中广泛存在。

本文图片均由中国科学院分子植物科学卓越创新中心提供

转座子能够在宿主基因组中“复制和粘贴”自己的DNA，以达到其自我“繁殖”的目的，这一活动会对基因组的稳定性构成严重威胁，高等生物通过给转座子DNA打上一个甲基的化学烙印，抑制转座子的活动，从而维持基因组的稳定性。

对此，植物演化出了一条RNA导向的DNA甲基化途径（植物RdDM途径）来完成DNA的甲基化工作。在该途径中，两种执行不同功能的蛋白质机器Pol IV和RDR2，它们协作生产一段双链的向导RNA分子，随后该向导RNA能够帮助植物细胞精准地给转座子DNA加上甲基化烙印。虽然Pol IV和RDR2已经被发现多年，然而这两种转录机器的内部构造和如何协同工作合成双链RNA尚未阐明。

Pol IV-RDR2的复合物三维结构动图

Pol IV是植物细胞核编码的第四种RNA聚合酶，与真核生物的Pol I, Pol II和Pol III相比，其基因组转录区域、相互作用转录因子、工作方式、以及生理功能都有显著区别。近30年来，Pol I, Pol II和Pol III的三维结构陆续得到解析，然而Pol IV的三维结构和工作方式仍然尚未得到解答。

研究人员正在工作

2021年12月24日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心张余研究团队和王佳伟研究团队以及浙江大学冯钰团队合作在《科学》以Research Article形式发表题为“Pol IV and RDR2: A two-RNA-polymerase machine that produces double-stranded RNA”的研究论文，该研究解析了Pol IV-RDR2蛋白复合物的三维结构，并提出了Pol IV-RDR2以双链DNA为模板合成双链RNA的独特分子机制。

破解RNA聚合酶的工作机制难度何在？张余透露，一方面难在获得高品质的蛋白质样品，因为植物体内有两万种蛋白质，而Pol IV的丰度极低，另一方面必须解析它的三维结构。

张余为此烦恼不已，一次和研究员王佳伟食堂就餐中的讨论，为解开这个难题带来了转机。通过跨学科合作，他们实现了方法创新，即“构建植物悬浮细胞系纯化蛋白”，在植物细胞基因组中稳定整合Pol IV复合物其中一个亚基，该Pol IV亚基带有蛋白纯化标签，其能够与其他亚基组装成复合物，再通过大规模培养悬浮细胞，纯化获得Pol IV的蛋白样品。“而且植物培养液相当便宜，在研究成本投入上也具备可操作性。”王佳伟透露。

通过这一方法创新，研究团队获得了高质量的Pol IV-RDR2复合物蛋白样品，并且解析了复合物的三维结构，该三维结构显示Pol IV和RDR2很像两个分管不同RNA合成工作的独立车间，它们很聪明地合并在一起，并在两个原本独立的车间之间建造了一个内部通道。

Pol IV合成车间的工作是以双链DNA为模板合成单链RNA，合成出的单链RNA产物就可以通过内部通道直接传送到RDR2的合成车间，从而RDR2能够直接以单链RNA为模板，合成双链RNA。

据此，研究人员提出蛋白质机器Pol IV- RDR2复合物就像一个高效合成双链RNA的工厂，以双链DNA为模板，在蛋白机器内部传递单链RNA中间产物，连续高效地合成双链RNA。

该项研究成功解析了真核生物第四个RNA聚合酶的结构，报导了双RNA聚合酶复合物的独特构造和协同工作机制，提出了转录蛋白质机器的新型工作模式。该研究成果是分子生物学和植物科学基础前沿领域的一项重要突进展。