朱学良研究组揭示RNA结合蛋白相分离在斑马鱼胚胎背腹轴建立中的功能

       7月23日，国际学术期刊Cell Discovery在线发表了中国科学院分子细胞科学卓越创新中心（生物化学与细胞生物学研究所）朱学良研究组的最新研究成果 “Regulation of zebrafish dorsoventral patterning by phase separation of RNA-binding protein Rbm14” 。在该研究工作中，研究人员展示RNA结合蛋白Rbm14通过相分离（phase separation）调控斑马鱼早期胚胎发育中背腹轴的建立（dorsoventral patterning）。

 

       相分离描述了物质一种去混合的状态变化。近年来相分离领域帮助打开了生命科学领域新的大门，为探索生物大分子“高维”结构和功能提供了全新的思路。越来越多的研究表明，相分离在生物体内存在并发挥功能，包括形成经典的无膜细胞器、信号复合物、细胞骨架和许多其他超分子组装。然而，相分离是否参与胚胎发育过程尚不清楚。能触发相分离的蛋白质多具有内部无序区域（intrinsically disordered regions, IDRs），其在体外可通过相分离形成水凝胶（hydrogel）状或液滴（droplet）状聚集物，但在生理水平上如何证明相分离的重要性仍是一个难题。研究者们多通过点突变将关键氨基酸进行突变，以获得相分离能力缺乏的突变体，但这种方法难以排除突变带来的其他效应。不同蛋白质中氨基酸序列各异的IDR是否具有互换性也未可知。

      

        该组研究人员发现一个参与斑马鱼背腹轴建立的因子Rbm14。研究者证明其通过维持多个BMP信号通路因子如 Nanog, Smad4/5, Id1/2的蛋白水平，促进胚胎腹侧发育。抑制Rbm14表达可造成斑马鱼胚胎的背部化（dorsalization）。鼠源Rbm14的IDR已被报道在体外能通过相分离形成水凝胶。斑马鱼Rbm14的IDR尽管与小鼠的同源性很低，但也能能通过相分离形成液滴，说明IDR中保守的是相分离能力而非氨基酸顺序。外源表达野生型Rbm14能恢复胚胎的正常发育，而相分离所需的关键氨基的酸突变则不再能挽救胚胎背部化，提示Rbm14的相分离可能参与其在背腹轴的调控。

      

        为进一步证明相分离的重要性，研究人员用多个已知能发生相分离的蛋白质的IDR替换Rbm14自身IDR，构建出嵌合体蛋白质，发现它们均能较好地挽救斑马鱼的背部化畸形，不仅说明相分离特性确实是Rbm14在腹侧发育中的功能所需，而且表明IDR具有可替换性。Rbm14以依赖于相分离能力的方式在细胞核中呈现点状聚集，在氧化应激时则进入胞质中形成的RNA颗粒中。有趣的是，在斑马鱼早期胚胎发育过程中Rbm14主要分布于细胞质的颗粒，随后才进入细胞核。机理研究提示Rbm14在富含RNA的无膜细胞器中参与多种RNA代谢的调节。这些结果表明Rbm14通过相分离形成的无膜细胞器调控RNA代谢，影响BMP信号通路组分的表达水平，进而影响斑马鱼胚胎背腹轴的建立。

      

        研究团队中朱学良研究员和美国卡内基研究所郑诣先教授为论文通讯作者，生化与细胞所博士后肖悦为第一作者，陈介会、万奕含、高琪和景乃禾研究员为合作者。该研究得到中国科学院、国家自然科学基金委和NIH基金的资助。

        

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