青岛能源所发现纤维小体“家传配方”的编码与控制机制
木质纤维素的高效降解是纤维素基液体燃料与沼气等清洁能源产业的关键瓶颈之一，也是生物圈碳循环和生态平衡的重要环节。近日，中国科学院青岛生物能源与过程研究所在纤维素生物降解机制研究中取得突破，发现了一种基于RNA选择性剪切与保护的崭新调控方式。该工作于4月24日在线发表于Nature Communications。
“纤维小体”（cellulosome）是自然界中降解纤维素最快的蛋白质分子机器。它是纤维素酶的复合体，由可多达几十个在功能上协同合作的亚基组成。而维持这些蛋白质亚基之间特定的化学计量比例（stoichiometry）对于高效降解纤维素至关重要。但是，细胞是如何编码、识别和控制这一特定的化学计量比例呢？
青岛能源所单细胞研究中心功能基因组团队副研究员许成钢、博士研究生黄冉冉等以解纤维梭菌（Clostridium celluloyticum）为模式物种，通过差异RNA测序技术（dRNA-Seq），在全基因组水平对转录起始位点（transcriptional start sites, TSs）和转录后剪切位点进行了精确定位（post-transcriptional processed sites, PSs），发现选择性RNA剪切和保护机制（Selective RNA Processing and Stabilization）在转录后水平精确地控制着纤维小体的化学计量比例（如图）。
许成钢等证明，包含12个基因的纤维小体基因簇cip-cel属于同一个转录单位，即同一个操纵子。但是，它们在转录本层面的丰度比例却是奇怪的100:110:9:8:38:5:4:2:3:2:3:5，而且与蛋白质层面的丰度比例成正相关。深入研究发现，这些基因的间隔区分布有至少五个核糖核酸内切酶的剪切位点，导致cip-cel操纵子初始转录的多顺反子mRNA被剪切成至少六个RNA片段。而这些RNA片段3’端的颈环结构因其二级结构的不同，造成了这些RNA片段的稳定性差异，从而形成了纤维小体特定的化学计量比例。有趣的是，这些颈环结构在相关细菌的纤维小体基因簇中既相对保守，又有物种特异性。因此，研究人员提出，在活体细胞中，纤维小体化学计量比例是由基因间DNA序列通过颈环结构的折叠能量精确编码的，并通过核糖核酸酶对RNA上这些位点的特异性识别、剪切和选择性保护，实现了对纤维小体“配方”的精确控制，进而驱动着物种纤维素降解能力的进化。
这种新发现的蛋白复合体化学计量比例编码、识别和控制机制，既简洁又巧妙。它保障了纤维小体的“家传配方”得以可靠地继承，同时保证了配方中的诸多“配料”能够同时、同步且严格地按照指定的比例来供应、搭配和组装成一个精密、复杂的分子机器。这一新发现很可能代表着一种共性规律，也适用于细胞中其它蛋白质分子机器的设计和装配。
该研究为“超级纤维小体”和“超级纤维素降解细胞”的人工设计和定制化装配开辟了一个新方向和新思路。这些发现还预示着一系列基于选择性RNA剪切与保护来精确编码与调控蛋白复合体“配方”的合成生物学新工具。
该研究获得了科技部“973”计划和基金委国家杰出青年基金等支持，由青岛能源所研究员徐健主持的单细胞研究中心功能基因组团队与研究员崔球主持的合成生物技术研究中心代谢物组学团队合作完成。
论文信息: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.
细菌纤维小体“家传配方”的编码与控制机制
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