Science：重磅！揭示ZSWIM8泛素连接酶介导靶标指导的microRNA降解机制
来源：本站原创 2020-11-16 14:38
2020年11月16日讯/生物谷BIOON/---微小核糖核酸（microRNA, miRNA）是一段短的RNA序列，它能严格控制哪些基因表达和基因表达的时间。它们通过调节哪些信使RNA（mRNA）转录本---编码蛋白的单链模板---被细胞实际读取来做到这一点。但是，是什么控制着这些细胞控制因子呢？在一项新的研究中，来自美国怀特黑德生物医学研究所、麻省理工学院
2020年11月16日讯/生物谷BIOON/---微小核糖核酸（microRNA, miRNA）是一段短的RNA序列，它能严格控制哪些基因表达和基因表达的时间。它们通过调节哪些信使RNA（mRNA）转录本---编码蛋白的单链模板---被细胞实际读取来做到这一点。但是，是什么控制着这些细胞调节因子呢？
在一项新的研究中，来自美国怀特黑德生物医学研究所、麻省理工学院、威尔康奈尔医学院和霍华德-休斯医学研究所的研究人员发现mRNA和其他RNA经常逆向作用于它们的miRNA调控因子，并证实miRNA降解路径并不是科学家们所期望的那样。相关研究结果于2020年11月12日在线发表在Science期刊上，论文标题为“The ZSWIM8 ubiquitin ligase mediates target-directed microRNA degradation”。论文通讯作者为怀特黑德生物医学研究所的David Bartel博士。
论文第一作者、Bartel实验室研究生Charlie Shi说，“很多人都知道miRNA会抑制mRNA--这是教科书上的说法。但在某些情况下，这种逻辑是相反的。我觉得这真的很有趣，也很奇怪，这个想法经常颠倒过来。”
当转录本发起攻击时
miRNA通常通过与mRNA转录本结合来控制基因的表达，然后与一种叫做Argonaute的蛋白一起发挥作用，从而沉默这些转录本以便它们更快地被降解。鉴于miRNA被安稳地固定在Argonaute蛋白的内部，它们被屏蔽在细胞中的破坏性酶之外，因此以细胞标准来看，它们的寿命相当长。它们可以持续存在长达一周的时间，在这段时间内造成许多mRNA分子受到破坏。
然而，有时，miRNA与mRNA转录本上的一个特殊靶位点结合，导致miRNA过早地被破坏。这种现象称为靶标引导的miRNA降解（target-directed microRNA degradation, TDMD）,在细胞中自然发生，是一种控制在任何给定时间内允许多少某些miRNA持续存在的方法。
在Bartel实验室发现一种称为CYRANO的RNA不编码任何蛋白，可导致一种称为miR-7的特定miRNA的降解。此后，这些研究人员便开始研究这种形式的降解。这种相互作用对他们来说很有趣，这是因为这种机制似乎与目前关于TDMD的理论不一致。
之前的TDMD模型表明，特殊的靶位点，如CYRANO中的靶位点，导致miRNA的一端从Argonaute蛋白中伸出，从而使得细胞质中的酶能够对它进行核苷酸添加和减少操作。这个称为加尾和修剪（tailing and trimming）的过程被认为是miRNA降解途径中的一个关键步骤。
Shi说，“但是，当你敲除给miR-7添加尾巴的酶时，它对miRNA降解没有影响。因此，这很奇怪，对吧？那么，我们如何能够真正地干扰这个应当负责的系统而没有造成影响呢？”
一种新的模型
为了进一步探究TDMD的机制，这些研究人员重点研究了CYRANO非编码RNA和miR-7之间的这种相互作用。Shi设计了CRISPR筛选，以确定当这个miRNA遇到CYRANO转录本时对它的降解至关重要的基因。
这种CRISPR筛选确定了一个对这个miRNA的降解至关重要的基因，即ZSWIM8。当他们研究该基因的功能时，他们发现它编码的是泛素连接酶（ubiquitin ligase）的一个组分。泛素之所以如此命名，是因为它几乎在所有类型的细胞中都能找到。泛素对蛋白进行标记，以便后者在一种称为蛋白酶体（proteasome）的细胞垃圾处理系统中遭受降解。
ZSWIM8泛素连接酶的发现意味着CYRANO介导的miRNA降解涉及Argonaute蛋白受到破坏。在这种新的TDMD分子模型中，作为一种调节性RNA，CYRANO结合到封装在保护性的Argonaute蛋白中的mir-7，然后招募ZSWIM8泛素连接酶。随后，这种连接酶将一些泛素分子添加到这个miRNA的Argonaute上，导致Argonaute受到降解，从而使得它携带的miRNA货物暴露出来，以便细胞中的酶破坏这种miRNA货物。重要的是，这个过程不需要对miRNA进行任何修剪和加尾处理。
Bartel说，“这种未曾预料到的TDMD途径的发现说明了CRISPR筛选的力量，它基本上可以同时寻找细胞中的每一种蛋白，包括那些你从未想到过会参与其中的蛋白。”
多种miRNA
当这些研究人员研究其他已知的TDMD例子时，他们发现ZSWIM8在所有这些例子中都是必不可少的。在确定了这个降解途径的这一关键部分后，他们就可以寻找更多的遭受这种调节的miRNA。
Shi说，“当我们开始研究这个项目时，自然界中只有大约4个由细胞编码的内源性RNA可以进行TDMD的例子。我们预感到会有更多的例子，所以通过找到一个在一般情况下进行TDMD所需的因子，即ZSWIM8，我们就能够提出并解答一个问题：‘这种现象有多普遍?’。”
事实证明，TDMD在多细胞有机体中相当常见。这些研究人员在不同的细胞类型---两种细胞类型来自小鼠和一种细胞类型来自果蝇---中寻找这种miRNA降解机制存在的证据，并发现在任何给定的细胞中，在细胞中总共几百种miRNA中，多达20种不同的miRNA被TDMD调节。
这些研究人员还在人体细胞和线虫中观察到了这种机制，这表明TDMD作为一种调节miRNA的方法可以追溯到这些不同物种的共同祖先。Shi说，“这无疑给我们带来了很多问题。这些miRNA中的每一种都是一个故事。”（生物谷 Bioon.com）
参考资料：
1.Charlie Y. Shi et al. The ZSWIM8 ubiquitin ligase mediates target-directed microRNA degradation. Science, 2020, doi:10.1126/science.abc9359.
2.mRNAs can turn the tables on their microRNA regulators, study finds
https://phys.org/news/2020-11-mrnas-tables-microrna.html
在一项新的研究中，来自美国怀特黑德生物医学研究所、麻省理工学院、威尔康奈尔医学院和霍华德-休斯医学研究所的研究人员发现mRNA和其他RNA经常逆向作用于它们的miRNA调控因子，并证实miRNA降解路径并不是科学家们所期望的那样。相关研究结果于2020年11月12日在线发表在Science期刊上，论文标题为“The ZSWIM8 ubiquitin ligase mediates target-directed microRNA degradation”。论文通讯作者为怀特黑德生物医学研究所的David Bartel博士。
CRISPRi筛选鉴定出ZSWIM8是miR-7的一个调节因子。图片来自Science, 2020, doi:10.1126/science.abc9359。
论文第一作者、Bartel实验室研究生Charlie Shi说，“很多人都知道miRNA会抑制mRNA--这是教科书上的说法。但在某些情况下，这种逻辑是相反的。我觉得这真的很有趣，也很奇怪，这个想法经常颠倒过来。”
当转录本发起攻击时
miRNA通常通过与mRNA转录本结合来控制基因的表达，然后与一种叫做Argonaute的蛋白一起发挥作用，从而沉默这些转录本以便它们更快地被降解。鉴于miRNA被安稳地固定在Argonaute蛋白的内部，它们被屏蔽在细胞中的破坏性酶之外，因此以细胞标准来看，它们的寿命相当长。它们可以持续存在长达一周的时间，在这段时间内造成许多mRNA分子受到破坏。
然而，有时，miRNA与mRNA转录本上的一个特殊靶位点结合，导致miRNA过早地被破坏。这种现象称为靶标引导的miRNA降解（target-directed microRNA degradation, TDMD）,在细胞中自然发生，是一种控制在任何给定时间内允许多少某些miRNA持续存在的方法。
在Bartel实验室发现一种称为CYRANO的RNA不编码任何蛋白，可导致一种称为miR-7的特定miRNA的降解。此后，这些研究人员便开始研究这种形式的降解。这种相互作用对他们来说很有趣，这是因为这种机制似乎与目前关于TDMD的理论不一致。
之前的TDMD模型表明，特殊的靶位点，如CYRANO中的靶位点，导致miRNA的一端从Argonaute蛋白中伸出，从而使得细胞质中的酶能够对它进行核苷酸添加和减少操作。这个称为加尾和修剪（tailing and trimming）的过程被认为是miRNA降解途径中的一个关键步骤。
Shi说，“但是，当你敲除给miR-7添加尾巴的酶时，它对miRNA降解没有影响。因此，这很奇怪，对吧？那么，我们如何能够真正地干扰这个应当负责的系统而没有造成影响呢？”
一种新的模型
为了进一步探究TDMD的机制，这些研究人员重点研究了CYRANO非编码RNA和miR-7之间的这种相互作用。Shi设计了CRISPR筛选，以确定当这个miRNA遇到CYRANO转录本时对它的降解至关重要的基因。
这种CRISPR筛选确定了一个对这个miRNA的降解至关重要的基因，即ZSWIM8。当他们研究该基因的功能时，他们发现它编码的是泛素连接酶（ubiquitin ligase）的一个组分。泛素之所以如此命名，是因为它几乎在所有类型的细胞中都能找到。泛素对蛋白进行标记，以便后者在一种称为蛋白酶体（proteasome）的细胞垃圾处理系统中遭受降解。
ZSWIM8泛素连接酶的发现意味着CYRANO介导的miRNA降解涉及Argonaute蛋白受到破坏。在这种新的TDMD分子模型中，作为一种调节性RNA，CYRANO结合到封装在保护性的Argonaute蛋白中的mir-7，然后招募ZSWIM8泛素连接酶。随后，这种连接酶将一些泛素分子添加到这个miRNA的Argonaute上，导致Argonaute受到降解，从而使得它携带的miRNA货物暴露出来，以便细胞中的酶破坏这种miRNA货物。重要的是，这个过程不需要对miRNA进行任何修剪和加尾处理。
Bartel说，“这种未曾预料到的TDMD途径的发现说明了CRISPR筛选的力量，它基本上可以同时寻找细胞中的每一种蛋白，包括那些你从未想到过会参与其中的蛋白。”
多种miRNA
当这些研究人员研究其他已知的TDMD例子时，他们发现ZSWIM8在所有这些例子中都是必不可少的。在确定了这个降解途径的这一关键部分后，他们就可以寻找更多的遭受这种调节的miRNA。
Shi说，“当我们开始研究这个项目时，自然界中只有大约4个由细胞编码的内源性RNA可以进行TDMD的例子。我们预感到会有更多的例子，所以通过找到一个在一般情况下进行TDMD所需的因子，即ZSWIM8，我们就能够提出并解答一个问题：‘这种现象有多普遍?’。”
事实证明，TDMD在多细胞有机体中相当常见。这些研究人员在不同的细胞类型---两种细胞类型来自小鼠和一种细胞类型来自果蝇---中寻找这种miRNA降解机制存在的证据，并发现在任何给定的细胞中，在细胞中总共几百种miRNA中，多达20种不同的miRNA被TDMD调节。
这些研究人员还在人体细胞和线虫中观察到了这种机制，这表明TDMD作为一种调节miRNA的方法可以追溯到这些不同物种的共同祖先。Shi说，“这无疑给我们带来了很多问题。这些miRNA中的每一种都是一个故事。”（生物谷 Bioon.com）
参考资料：
1.Charlie Y. Shi et al. The ZSWIM8 ubiquitin ligase mediates target-directed microRNA degradation. Science, 2020, doi:10.1126/science.abc9359.
2.mRNAs can turn the tables on their microRNA regulators, study finds
https://phys.org/news/2020-11-mrnas-tables-microrna.html
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