高等真核生物中，有一類長度約為19-30個堿基的小RNA，在調控基因表達、抗病毒以及維持基因組穩定性等一系列重要生理過程中起關鍵作用。Dicer核酸內切酶是小RNA生物合成的核心分子，Dicer在小RNA的產生過程中，起到“分子尺”的功能，從前體RNA的一端測量特定的長度并切割產生特定的小RNA。過去二十多年，研究者們針對Dicer核酸酶開展了大量的系統研究，然而這個過程中Dicer作為一個整體是如何測量RNA的長度、如何特異性識別RNA的末端等核心問題仍沒有得到完整的分子機制解析。

近日，深圳大學醫學部李思思副教授課題組和南方科技大學生命科學學院杜嘉木教授課題組以及美國加州大學洛杉磯分校Steven Jacobsen教授課題組共同合作，對Dicer開展了深入的結構功能研究，以“Mechanism of siRNA production by a plant Dicer-RNA complex in dicing competent conformation”為題在國際頂尖學術雜志Science上發表了最新的學術進展，闡釋了Dicer家族酶的分子作用機制。深圳大學為第四完成單位，南方科技大學、加利福尼亞大學洛杉磯分校、清華大學為合作單位。

利用南方科技大學的冷凍電鏡平臺，研究人員解析了一個植物來源的Dicer蛋白DCL3與其前體小RNA的復合物結構（圖1），該結構分辨率高達3.1埃，可以直接觀測到此前所一直沒有觀測到的末端識別和定點切割機制。在RNA的末端，DCL3利用一個正電富集的結合口袋特異性識別前體小RNA前導鏈的5‘磷酸，從而將RNA的第一個堿基對打開，更進一步對前導鏈的第一個堿基A產生特異性識別；與此同時，DCL3利用一簇芳香族氨基酸對前體小RNA的互補鏈的1 nt 3’-overhang末端進行識別，防止3‘末端的延伸。以這些相互作用為起點，在另一側，DCL3的兩個RNaseIII結構域對前體小RNA的兩條鏈分別進行切割。DCL3利用自身RNA末端結合口袋至RNaseIII結構域之間的距離來測量前體小RNA，達到特定的長度后進行切割。

生化上，Dicer家族酶同時具備5’磷酸依賴的測量和3‘-overhang依賴的測量兩類機制。研究人員繼續對DCL3針對不同長度的3’-overhang的前體小RNA的酶活進行了測定，發現隨著overhang長度的延伸，活性只是降低但并沒有完全喪失。為解析其識別機制，研究人員繼續解析了DCL3和更長的2 nt 3‘-overhang前體小RNA的復合物結構，發現更長的overhang可以通過loop-out機制反轉出RNA，在末端又折疊回來形成類似的識別。解釋了其具備活性又有所降低的機制。后續的體內、體外突變體實驗進一步驗證了結構的觀測。

圖1 擬南芥DCL3結合RNA底物的復合物結構

項目支持：

廣東省創新創業團隊項目，2016ZT06S172，系統表觀遺傳學在農作物改良中的應用，2017/06/01-2022/05/31，在研，第一核心成員

論文鏈接：https://doi.org/10.1126/science.abl4546