在真核生物的基因表达过程中，新生RNA的成熟通常与转录同步进行，发生在富含核小体的染色质环境中。这一过程中，选择性多聚腺苷酸化（Alternative Polyadenylation，APA）[1]是产生多种具有不同3'非翻译区（3'UTR）的转录本亚型的关键机制。在人类基因中，超过60%的基因都出现了APA引起的可变UTR，通过改变转录本中的顺式作用元件，包括蛋白质结合位点和调控RNA的结合位点，从而影响mRNA的稳定性、细胞内RNA的降解、蛋白质的多样性及其翻译效率。APA的失调在癌症、神经退行性疾病等多种人类疾病中均有报道[2]，凸显了对其调控机制深入研究的重要性。
组蛋白的翻译后修饰（Post-translational modifications, PTMs）通过改变染色质结构，参与RNA加工的多个阶段，进而精细调控基因表达。染色质结构和组蛋白修饰，如H3K36me3，已被证实在调节APA中发挥重要作用。然而，H3K36me3介导的APA调控的具体分子机制仍有待进一步阐明，揭示这些分子机制对于理解染色质RNA互作调控网络至关重要。
2024年3月19日，我院方东课题组在Nucleic Acids Research杂志上在线发表了题为“FUS reads histone H3K36me3 to regulate alternative polyadenylation”的研究论文，揭示了FUS蛋白通过H3K36me3在染色质上的招募机制。研究发现，当FUS蛋白发生突变时，它与染色质的结合减弱，而与RNA的结合显著增强（图1）。这种改变导致了全基因组范围内终止密码子远端的多聚腺苷酸化位点选择性增加，进而触发了线粒体活性的异常提升。这一发现为理解FUS在基因表达调控中的作用提供了新的视角，并对相关疾病的发病机制提出了新的解释。
图1 H3K36me3在APA选择中招募FUS功能的模型
为了研究H3K36me3如何调节聚腺苷化，研究者首先筛选出FUS为识别H3K36me3并具有mRNA结合能力的蛋白质。H3K36me3的缺失会导致FUS从染色质上解离，进而增强了FUS与mRNA的相互作用。为了精确测定poly(A)长度及位点，研究者设计了一个发卡结构的连接引物，与mRNA的poly(A)配对后的引物与RNA之间即使只有一个核酸移位，也不会发生引物与RNA的连接，从而能够精确测定poly(A)的长度及其发生位点，该方法命名为Bowl-seq。利用Bowl-seq，研究者发现当FUS结合H3K36me3的失调会最终导致聚腺苷酸化位点选择性的改变，倾向于选择终止密码子远端的位点。
进一步的机制研究发现，FUS与H3K36me3之间的结合依赖于其ZNF结构域的脯氨酸残基。已知FUS蛋白的突变与肌萎缩侧索硬化症（Amyotrophic Lateral Sclerosis, ALS）的发病机制密切相关[3]，并且研究者注意到部分ALS患者中发现的FUS脯氨酸突变位于其识别H3K36me3的关键位点。脯氨酸残基的突变导致FUS对H3K36me3的识别缺失，引发小鼠胚胎干细胞线粒体的过度激活和高度分化。
总之，研究成果揭示了FUS作为一种关键的H3K36me3解读蛋白，对细胞内选择性聚腺苷化（APA）过程的调节作用。这些发现为理解FUS蛋白突变在肌萎缩侧索硬化症（ALS）中的作用机制提供了新的线索。
方东课题组贾竣棋、樊浩楠、宛心怡为共同第一作者。方东研究员为通讯作者。该研究得到了我院黄俊教授的大力支持，获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、浙江省自然科学基金等项目的资助。
参考文献
1.Tian, B. and Manley, J.L. (2017) Alternative polyadenylation of mRNA precursors. Nat Rev Mol Cell Biol, 18, 18-30.
2.Mitschka, S. and Mayr, C. (2022) Context-specific regulation and function of mRNA alternative polyadenylation. Nat Rev Mol Cell Biol.
3.Kwiatkowski, T.J., Jr., Bosco, D.A., Leclerc, A.L., Tamrazian, E., Vanderburg, C.R., Russ, C., Davis, A., Gilchrist, J., Kasarskis, E.J., Munsat, T. et al. (2009) Mutations in the FUS/TLS gene on chromosome 16 cause familial amyotrophic lateral sclerosis. Science, 323, 1205-1208.
原文链接：https://doi.org/10.1093/nar/gkae184
