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日在線發(fā)表于Nature Communications。
“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)許成鋼副研究員、博士研究生黃冉冉等以解纖維梭菌（Clostridium celluloyticum）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)（transcriptional start sites, TSs）和轉(zhuǎn)錄后剪切位點(diǎn)進(jìn)行了精確定位（post-transcriptional processed sites, PSs），發(fā)現(xiàn)選擇性RNA剪切和保護(hù)機(jī)制（Selective RNA Processing and Stabilization）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（圖1）。
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)的不同，造成了這些RNA片段的穩(wěn)定性差異，從而形成了纖維小體特定的化學(xué)計(jì)量比例。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。
該研究獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金委青年科學(xué)基金（31200029）和國(guó)家杰出青年科學(xué)基金（31425002），以及科技部973計(jì)劃等支持，由中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所徐健研究員主持的單細(xì)胞研究中心功能基因組團(tuán)隊(duì)與崔球研究員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。
圖1. 細(xì)菌纖維小體“家傳配方”的編碼與控制機(jī)制
參考文獻(xiàn)：
Xu Chenggang, Huang Ranran, Teng Lin, Jing Xiaoyan, Hu Jianqiang, Cui Guzheng,
Wang Yilin, Cui Qiu, Xu Jian, Cellulosome stoichiometry in Clostridium
cellulolyticum is regulated by selective RNA processing and stabilization
(2015), Nature Communications, 6:6900 | DOI: 10.1038/ncomms7900
