北大陈兴课题组开发全面捕获RNA
结合蛋白的化学方法

核糖核酸(RNA)是细胞中基因组转录的产物,包括编码蛋白质翻译的信使RNA (mRNA)和非编码RNA (ncRNA)。这些RNA参与了许多重要的生物学过程,是细胞中必不可少的一类生物大分子。而RNA结合蛋白 (RBP)不仅介导了RNA从生成到降解整个过程的各个步骤,还在RNA参与的其他生物学过程,以及在许多人类疾病中都起着非常重要的作用[1,2]。因此,大规模鉴定RBP是理解RNA转录后调控的前提条件,近年来得到了广泛的关注。
目前大规模鉴定RBP的主要方法之一是通过紫外光交联蛋白与RNA,接着利用多数mRNA带有多聚腺苷[poly(A)]尾巴的特点,使用寡聚脱氧胸苷[oligo(dT)]修饰的磁珠捕获、纯化并用质谱对这些RBP进行组学鉴定。这一方法于2012年被开发并应用于人类HeLa [3]及HEK293 [4]细胞系中,随后很快被广泛应用到各类真核生物体系,极大地扩展了我们对于蛋白调控RNA网络的认识和理解[5]。然而,令人遗憾的是,这种方法只适用于鉴定带有poly(A)尾巴的RNA(主要是mRNA)的结合蛋白。大部分的非编码RNA不具有poly(A)修饰,它们的结合蛋白还未被鉴定。
最近,北京大学化学与分子工程学院陈兴课题组将代谢标记与点击化学应用到了RBP捕获当中,开发了名为Click Chemistry-Assisted RNA-Interactome Capture (CARIC)的技术,成功实现了RBP的全面捕获和鉴定。该方法利用代谢标记,将尿苷类似物5-炔基尿苷 (EU)[6]与4-硫代尿苷 (4SU)代谢进入HeLa细胞的全RNA当中。其中,4SU在365 nm紫外光照下高效将RBP共价交联在RNA上,而EU上的炔基通过点击化学连接富集标签,从而实现高效富集和组学鉴定。利用CARIC技术,作者在HeLa细胞中成功鉴定到了597个RBP。这些RBP既包含了之前鉴定到的poly(A) RBP,也包含许多已知的ncRNA结合蛋白,以及一百多个此前未知的新鉴定的RBP。作者发现,这些新鉴定到的RBP包含了许多参与细胞代谢的酶,与此前提出的RNA-酶-代谢产物(REM)模型相呼应[7] ,并且揭示了ncRNA也会参与到细胞代谢调控的可能性。这一工作发表在PNAS (DOI: 10.1073/pnas.1718406115).

值得一提的是,同期在Nature Methods上发表了来自中科院广州生物医药与健康研究院的一项命名为RICK的方法,其利用EU代谢标记在HeLa细胞及小鼠干细胞中捕获并鉴定了RBP[8],所得的主要结论与CARIC方法类似。这两种方法将为RNA-蛋白相互作用和基因表达调控等研究提供新的策略和思路。
北京大学化学学院博士研究生黄蓉冰和韩梦婷是本论文的共同第一作者,生命科学联合中心博士生孟丽莹参与了本项研究,陈兴教授为本工作的通讯联系作者。该研究得到了国家自然科学基金委“生物大分子动态修饰与化学干预”重大研究计划重点项目(91753206)、科技部及北大-清华生命科学联合中心的资助。
[1] Gerstberger, S., Hafner, M. & Tuschl, T. A census of human RNA-binding proteins. Nat. Rev. Genet. 15, 829-845 (2014).
[2] Castello, A., Fischer, B., Hentze, M. W. & Preiss, T. RNA-binding proteins in Mendelian disease. Trends Genet. 29, 318-327 (2013).
[3] Castello, A. et al. Insights into RNA biology from an atlas of mammalian mRNA-binding proteins. Cell 149, 1393-1406 (2012).
[4] Baltz, A. G. et al. The mRNA-bound proteome and its global occupancy profile on protein-coding transcripts. Mol. Cell 46, 674-690 (2012).
[5] Hentze, M. W., Castello, A., Schwarzl, T. & Preiss, T. A brave new world of RNA-binding proteins. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. Advance online (2018).
[6] Jao, C. Y. & Salic, A. Exploring RNA transcription and turnover in vivo by using click chemistry. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 105, 15779-15784 (2008).
[7] Hentze, M. W. & Preiss, T. The REM phase of gene regulation. Trends Biochem. Sci. 35, 423-426 (2010).
[8] Bao, X. et al. Capturing the interactome of newly transcribed RNA. Nat Methods 15, 213-220 (2018).