彭金荣课题组阐明斑马鱼18S rRNA加工成熟过程以及Rcl1在该过程中的关键功能

编辑 | 熊 凤

在真核生物中，核糖体作为蛋白质生物合成机器，由核糖体蛋白以及包含18S，5S，5.8S和28S rRNA的rRNA构成。其中18S，5.8S和28S rRNA由同一个基因编码，被转录在同一个转录本，该转录本被称之为前体rRNA（pre-rRNA）。pre-rRNA从5′→3′依次分为5′外部转录间隔区（5′ETS）、18S rRNA、内部转录间隔区1（ITS1）、5.8S rRNA、内部转录间隔区2（ITS2）、3′外部转录间隔区（3′ETS）。pre-rRNA经精确分步加工后形成成熟的18S，5.8S和28S rRNA。其中18S rRNA加工成熟由核糖体小亚基（SSU）加工复合体完成。根据与18S pre-rRNA的结合区域差异可将SSU加工复合体划分为  UTP-A，UTP-B和Mpp10–Imp3–Imp4三类亚复合体。在人类中，SSU加工复合体针对pre-rRNA的A0，2，1、E以及3五个主要位点进行酶切形成18S rRNA，参与的核酸内切酶包括UTP23，MRP，UTP24以及NOB1等。

2021年5月24日，彭金荣教授课题组在Nucleic Acids Research（IF= 11.501）在线发表题为”Rcl1 depletion impairs 18S pre-rRNA processing at the A1-site and up-regulates a cohort of ribosome biogenesis genes in zebrafish”的研究论文，该最新研究成果揭示了斑马鱼核糖体18S rRNA加工成熟的精确酶切位点，首次发现核仁蛋白Rcl1是斑马鱼消化器官发育所必需、Rcl1的缺失会影响pre-rRNA在A1位点的加工过程、Rcl1的缺失导致一系列核糖体生物合成基因表达上调。

Rcl1作为核糖体小亚基组装复合体的成员，自2000年在酵母中发现并研究后，交叉对比目前已有实验结果可证实在酵母、人及鼠细胞系中，核仁蛋白Rcl1的缺失影响18S rRNA的加工成熟过程，但具体影响的切割位点有所差异：酵母影响A0 、A1和A2位点，人/鼠细胞系影响A0和1位点。但Rcl1在后生动物的整个生物体水平的功能研究尚处起步阶段。

课题组通过构建Rcl1缺失的斑马鱼突变体，发现Rcl1的缺失导致突变体18S rRNA的成熟受到严重影响，证明这个蛋白参与18S rRNA的加工过程的功能在真核生物中是保守的。同时，课题组通过northern技术还发现了突变体中异常的18S rRNA中间产物。为了更好地研究斑马鱼Rcl1影响的酶切位点及异常中间产物的产生机理，面对斑马鱼18s rRNA酶切加工过程步骤不明确而大多参考酵母和人的信息的研究背景，课题组通过T4 RNA连接酶将环化的RNA作为底物完成Inverted RT-PCR。最终在5’ ETS区域发现三个主要酶切位点-477nt（A’位点），-97nt（A0位点）以及5’ETS与18SrRNA连接位点（A1位点），以及ITS1内两个主要的酶切位点，即208-218nt （2位点）和20-33nt（E位点）。同时，确定了Rcl1的缺失影响了18S pre-rRNA在A1位点的加工过程（图1）。

图1 本研究发现在斑马鱼18S rRNA加工成熟过程中，在5’ ETS区域存在三个主要酶切位点：-477nt（A’位点），-97nt（A0位点）以及5’ETS与18S rRNA连接位点（A1位点）；在ITS1区域内存在两个主要的酶切位点：208-218nt（2位点）和20-33nt（E位点）。同时，本研究确定了Rcl1的缺失影响了18S pre-rRNA在A1位点的加工过程。

从生物体整体发育来看，斑马鱼Rcl1的缺失会影响斑马鱼的器官发育，引起小眼睛、心包水肿、鱼鳔发育不全等表征，进一步研究可发现消化器官如肝脏、外分泌胰腺发育异常，导致突变体寿命不超过受精后15天。

该成果开拓了从多细胞动物整个生物体水平上对18S rRNA的加工过程研究，精确定位酶切位点，为斑马鱼18s rRNA加工过程的研究奠定了新的基础。并通过Rcl1的研究结果证实18s rRNA加工过程在酵母、斑马鱼、鼠、人中的保守性，使得斑马鱼的研究结果更具有科学实践意义。