近期，中山大学肿瘤防治中心高嵩教授课题组先后报道了非经典多聚腺苷聚合酶FAM46（又名TENT5）蛋白家族成员的首个晶体结构，以及首个哺乳动物的非经典多聚腺苷聚合酶GLD-2（又名PAPD4）的结构。在结构的基础上，通过一系列生化和细胞生物学实验探索了FAM46蛋白家族和GLD-2在胚胎发育和抑制肿瘤发生等方面的生物学功能及其作用机制。这些工作拓展了人们对哺乳动物RNA尾部加工的过程和生理意义的认识。上述研究成果先后于2020年2月和9月发表于国际知名期刊《核酸研究》（Nucleic Acids Research，影响因子:11.5）。
RNA转录本的3’末端的延伸是真核细胞中普遍存在的分子生物学事件，也一种重要基因表达调控方式，其过程不依赖于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的多种加尾修饰。近年来也有多种其它的延伸方式被陆续报道。这些加尾修饰对RNA的稳定性具有决定性的影响。负责催化RNA的3’末端延伸的酶属于多聚腺苷聚合酶，即poly(A) polymerase（PAP）蛋白超家族。PAP根据其功能和结构特点又分为经典型（canonical）和非经典型（non-canonical）两个亚类。其中经典性PAP主要负责mRNA在细胞核内的多聚腺苷酸化，其性质研究得较为清楚。而非经典PAP（特别是哺乳动物的非经典PAP）种类繁多，功能多样。至今仍有许多非经典PAP的结构和具体功能未知。
图：a和b为人的FAM46B蛋白的结构和在多能干细胞中发挥功能的模式图；c和d为大鼠的GLD-2的蛋白结构和在哺乳动物中通过不同的分子机制参与对各种RNA进行转录后3’末端加工过程的模式图。
FAM46蛋白家族是一类潜在的非经典PAP，仅在后生动物中被发现。其具体生化性质和生物学功能一直未知。高嵩课题组首先从结构解析入手，解析了非洲爪蟾FAM46B的晶体结构。根据结构比对发现：FAM46蛋白家族与已知的所有真核生物PAP均有较大的结构差异，而与原核生物的PAP结构类似。生化实验表明FAM46B偏好催化结尾含多个腺苷的RNA底物。FAM46B特异性的在人类的胚胎早期和多能干细胞中高表达，且其表达水平并随着细胞的分化显著下降。有意思的是，FAM46B主要分布在细胞质中，提示其可能作用于细胞质中成熟mRNA。FAM46B的敲除为致死性的，其敲降能够诱导细胞的凋亡并抑制蛋白的合成。上述实验结果提示FAM46B在特定物种中是一个发育早期关键的胞质特异性PAP，其功能很可能是通过延长成熟mRNA的poly(A)尾部增加mRNA的稳定性，从而在转录被抑制的发育早期保证必要的翻译效率。该研究拓展了人们对发育早期mRNA转录后调控的认识，以及对FAM46家族PAP的了解。相关论文于2020年2月在线发表于《核酸研究》杂志。中山大学肿瘤防治中心高嵩教授，中国科学院上海营养与健康研究所杨黄恬研究员，和南方科技大学陈炜教授为共同通讯作者；中山大学肿瘤防治中心博士生胡家丽，中国科学院上海营养与健康研究所博士后梁贺，以及中山大学肿瘤防治中心博士后张虹为共同第一作者。
GLD-2是首个在后生动物中发现的非经典PAP，并且是除FAM46家族蛋白外唯一所知的分布于胞质的PAP。GLD-2的生理功能在线虫类、果蝇和两栖类的爪蟾等模式生物已有相对深入的研究，其功能亦涉及胚胎早期发育调控相关的mRNA加尾。然而，哺乳动物GLD-2的具体功能目前尚不十分清楚。有研究表明哺乳动物的GLD-2还可作用于特定的microRNA并抑制肿瘤的发生发展。其具体机制不明。高嵩课题组解析了大鼠和小鼠GLD-2蛋白的晶体结构。通过与线虫的GLD-2的结构对比发现：哺乳动物GLD-2的PAP活性远高于线虫的GLD-2，且其PAP活性不依赖于与其他伴侣蛋白的相互作用。此外，哺乳动物GLD-2相比于线虫GLD-2具有更利于和RNA结合的结构特征，并展现出与microRNA加工酶TUT7的极高相似度。生化实验进一步证实了哺乳动物GLD-2对不同序列的RNA底物均具有活性，并可利用多种核苷酸作为原料。这些结果证实了哺乳动物GLD-2加工不同类型RNA的活性，并解释了相关的结构基础。该研究有助于人们进一步了解GLD-2蛋白在哺乳动物中发挥的具体生物学功能。相关论文于2020年7月在线发表于《核酸研究》杂志。中山大学肿瘤防治中心的高嵩教授为通讯作者；中山大学肿瘤防治中心的博士生马小燕、博士后张虹为共同第一作者。
上述研究的X射线晶体衍射实验在上海同步辐射光源完成，获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东特支计划、以及华南肿瘤学国家重点实验室的支持。中山大学中山医学院王继厂教授、曹楠教授，肿瘤防治中心曾木圣教授，生命科学学院赵勇教授和复旦大学基础医学院王勇波教授及其课题组对上述研究也作出了重要贡献。
文章链接：
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)
