近期，中山大學腫瘤防治中心高嵩教授課題組先后報道了非經典多聚腺苷聚合酶FAM46（又名TENT5）蛋白家族成員的首個晶體結構，以及首個哺乳動物的非經典多聚腺苷聚合酶GLD-2（又名PAPD4）的結構。在結構的基礎上，通過一系列生化和細胞生物學實驗探索了FAM46蛋白家族和GLD-2在胚胎發育和抑制腫瘤發生等方面的生物學功能及其作用機制。這些工作拓展了人們對哺乳動物RNA尾部加工的過程和生理意義的認識。上述研究成果先后于2020年2月和9月發表于國際知名期刊《核酸研究》（Nucleic Acids Research，影響因子:11.5）。
RNA轉錄本的3’末端的延伸是真核細胞中普遍存在的分子生物學事件，也一種重要基因表達調控方式，其過程不依賴于DNA模板。RNA的3’末端延伸主要包括mRNA的多聚腺苷化（polyadenylation）以及microRNA的多種加尾修飾。近年來也有多種其它的延伸方式被陸續報道。這些加尾修飾對RNA的穩定性具有決定性的影響。負責催化RNA的3’末端延伸的酶屬于多聚腺苷聚合酶，即poly(A) polymerase（PAP）蛋白超家族。PAP根據其功能和結構特點又分為經典型（canonical）和非經典型（non-canonical）兩個亞類。其中經典性PAP主要負責mRNA在細胞核內的多聚腺苷酸化，其性質研究得較為清楚。而非經典PAP（特別是哺乳動物的非經典PAP）種類繁多，功能多樣。至今仍有許多非經典PAP的結構和具體功能未知。
圖：a和b為人的FAM46B蛋白的結構和在多能干細胞中發揮功能的模式圖；c和d為大鼠的GLD-2的蛋白結構和在哺乳動物中通過不同的分子機制參與對各種RNA進行轉錄后3’末端加工過程的模式圖。
FAM46蛋白家族是一類潛在的非經典PAP，僅在后生動物中被發現。其具體生化性質和生物學功能一直未知。高嵩課題組首先從結構解析入手，解析了非洲爪蟾FAM46B的晶體結構。根據結構比對發現：FAM46蛋白家族與已知的所有真核生物PAP均有較大的結構差異，而與原核生物的PAP結構類似。生化實驗表明FAM46B偏好催化結尾含多個腺苷的RNA底物。FAM46B特異性的在人類的胚胎早期和多能干細胞中高表達，且其表達水平并隨著細胞的分化顯著下降。有意思的是，FAM46B主要分布在細胞質中，提示其可能作用于細胞質中成熟mRNA。FAM46B的敲除為致死性的，其敲降能夠誘導細胞的凋亡并抑制蛋白的合成。上述實驗結果提示FAM46B在特定物種中是一個發育早期關鍵的胞質特異性PAP，其功能很可能是通過延長成熟mRNA的poly(A)尾部增加mRNA的穩定性，從而在轉錄被抑制的發育早期保證必要的翻譯效率。該研究拓展了人們對發育早期mRNA轉錄后調控的認識，以及對FAM46家族PAP的了解。相關論文于2020年2月在線發表于《核酸研究》雜志。中山大學腫瘤防治中心高嵩教授，中國科學院上海營養與健康研究所楊黃恬研究員，和南方科技大學陳煒教授為共同通訊作者；中山大學腫瘤防治中心博士生胡家麗，中國科學院上海營養與健康研究所博士后梁賀，以及中山大學腫瘤防治中心博士后張虹為共同第一作者。
GLD-2是首個在后生動物中發現的非經典PAP，并且是除FAM46家族蛋白外唯一所知的分布于胞質的PAP。GLD-2的生理功能在線蟲類、果蠅和兩棲類的爪蟾等模式生物已有相對深入的研究，其功能亦涉及胚胎早期發育調控相關的mRNA加尾。然而，哺乳動物GLD-2的具體功能目前尚不十分清楚。有研究表明哺乳動物的GLD-2還可作用于特定的microRNA并抑制腫瘤的發生發展。其具體機制不明。高嵩課題組解析了大鼠和小鼠GLD-2蛋白的晶體結構。通過與線蟲的GLD-2的結構對比發現：哺乳動物GLD-2的PAP活性遠高于線蟲的GLD-2，且其PAP活性不依賴于與其他伴侶蛋白的相互作用。此外，哺乳動物GLD-2相比于線蟲GLD-2具有更利于和RNA結合的結構特征，并展現出與microRNA加工酶TUT7的極高相似度。生化實驗進一步證實了哺乳動物GLD-2對不同序列的RNA底物均具有活性，并可利用多種核苷酸作為原料。這些結果證實了哺乳動物GLD-2加工不同類型RNA的活性，并解釋了相關的結構基礎。該研究有助于人們進一步了解GLD-2蛋白在哺乳動物中發揮的具體生物學功能。相關論文于2020年7月在線發表于《核酸研究》雜志。中山大學腫瘤防治中心的高嵩教授為通訊作者；中山大學腫瘤防治中心的博士生馬小燕、博士后張虹為共同第一作者。
上述研究的X射線晶體衍射實驗在上海同步輻射光源完成，獲得了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、廣東特支計劃、以及華南腫瘤學國家重點實驗室的支持。中山大學中山醫學院王繼廠教授、曹楠教授，腫瘤防治中心曾木圣教授，生命科學學院趙勇教授和復旦大學基礎醫學院王勇波教授及其課題組對上述研究也作出了重要貢獻。
文章鏈接：
https://doi.org/10.1093/nar/gkaa049 (FAM46B is a prokaryotic-like cytoplasmic poly(A) polymerase essential in human embryonic stem cells)
https://doi.org/10.1093/nar/gkaa578 (Structures of mammalian GLD-2 proteins reveal molecular basis of their functional diversity in mRNA and microRNA processing)
