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激酶驱动的磷酸化与磷酸酶介导的去磷酸化之间的精细协调，对众多生物过程的精准调控和动态调控至关重要。激酶和磷酸酶之间的活性失衡常常是导致疾病发生的关键因素，特别是在肿瘤发生过程中，为治疗干预提供了重要机会。在基因转录调控中，激酶和磷酸酶在不同细胞和基因上有相互作用，对实现不同组织的特异性基因表达发挥了重要作用。然而，关键激酶在转录中的作用虽然已得到充分研究，但磷酸酶的功能却远未明确，它为理解转录调控的机制和开发有效针对疾病中激酶-磷酸酶异常失衡所导致转录失调的药物带来了挑战。
转录调控是基因表达精准控制的核心，影响基因的时空表达及组织特异性，确保细胞正常的分化与生理活动。高等动物中RNA聚合酶II(Pol II)介导的转录是一个高度协调的动态过程，涉及起始、暂停、延伸和终止。在转录起始后，Pol II通常会在启动子下游20-200bp的区域暂停，随后选择继续延伸或启动子近端终止，该过程直接影响基因表达水平。蛋白激酶和磷酸酶通过调控Pol II的磷酸化实现转录动态调控，已知激酶如CDK7和CDK9分别催化Pol II 5位磷酸化和2位磷酸化。相比之下，磷酸酶研究相对滞后，其通过特异性靶向多种底物在转录和表观遗传中发挥关键作用，亟待深入研究其功能和机制。
PP1和PP2A是细胞中最主要的磷酸酶，催化了超过90%的去磷酸化活动。陈飞团队研究表明，PP2A在转录中起到负向调控作用，作为INTAC复合物的关键组分，参与转录早期的终止过程(Mol Cell｜陈飞团队揭示转录早期终止调控复合物INTAC对转录机器命运决定的调控机制)。此外，PP1已被发现能够促进转录终止，但其在转录调控中的其他潜在功能仍有待进一步探索。
2024年11月26日(当地时间)，复旦大学生物医学研究院陈飞课题组，于期刊Molecular Cell发表题为“The phosphatase PP1 sustains global transcription by promoting RNA polymerase II pause release”的论文。该研究揭示了PNUTS-PP1复合物在调控转录暂停中的关键作用和机制，并进一步探讨了两种高丰度磷酸酶PP1和PP2A在转录调控中截然不同的功能。
为了研究PP1在转录调控中的作用，研究者通过分离染色质进行PP1的IP质谱分析，发现PNUTS-PP1可能是参与转录调控的主要PP1全酶复合物。随后，研究者构建了PNUTS的dTAG快速降解系统，并在降解PNUTS的基础上过表达PNUTS-W401A突变体，以特异性干扰PP1的结合，同时不影响PNUTS-PP1复合物中其他因子的功能。
图1. 该研究的图文概述
利用该系统，研究者发现PNUTS的缺失阻碍了转录暂停Pol II的释放，导致基因表达整体下调。以上变化完全依赖于PP1的结合，说明PP1具有转录激活功能。进一步通过磷酸化质谱分析及筛选验证，研究者发现多个PNUTS-PP1的底物(如7SK snRNP亚基MEPCE、SEC复合物亚基AFF4、INTAC复合物亚基INTS12和转录暂停因子GDOWN1等)参与了转录暂停调控。
此外，为了研究具有转录激活功能的PP1和具有转录抑制功能的PP2A是否在细胞中存在拮抗作用，研究者构建了PNUTS和INTS8的双降解细胞系，以同时干扰PNUTS-PP1中PP1和INTAC中PP2A的功能。结果表明，这两种高丰度磷酸酶确实在转录调控中具有拮抗作用。有趣的是，虽然PP2A通常被认为是抑癌基因，而PP1多数情况下会促进肿瘤的生长。
以上发现进一步加深了对磷酸酶在转录调控和基因表达中的作用机制的理解，并为开发基于磷酸化调控的精准治疗策略提供了理论基础。
值得一提的是，牛津大学Rob Klose课题组也在Molecular Cell杂志在线发表了题目为“The PNUTS phosphatase complex controls transcription pause release”的相关研究论文，该工作同样证实了PP1通过促进转录暂停释放来激活转录，两篇文章以背靠背的形式发表。
该研究的共同第一作者为复旦大学附属肿瘤医院博士后王振宁和宋爱霞，生物医学研究院博士生陶伯林、缪茂建、罗怡晴等也对论文做出了重要贡献，论文通讯作者为陈飞教授。
注：文中插图源于 Molecular Cell
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.molcel.2024.10.046
来 源 复旦大学生物医学研究院
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