研究人员利用光催化邻近标记技术揭示应激颗粒转录组动态变化

应激颗粒是在胁迫条件下形成的动态结构，通常认为其中包含翻译被抑制的RNA以及翻译元件，并可在刺激消失后解聚，是细胞内典型的无膜细胞器。在应激颗粒组装的不同阶段，大量RNA分子会被招募至应激颗粒中，对维持应激颗粒结构的稳定和刺激下通过调节基因表达来影响细胞生存等方面发挥重要作用。近年来，关于应激颗粒中的RNA成分问题已经开展了大量的研究。例如，基于成像的技术能够直接观测不同转录本在应激颗粒中的定位，以及可以实现在活细胞中监测转录本在不同颗粒之间的交换与翻译状态。然而，成像技术受限于较低的通量，并且需要已知的序列信息设计引物或构建报告分子，难以对应激颗粒中的RNA组成进行全局研究。另外，基于抗体的亲和沉淀分离应激颗粒并结合高通量测序技术能够提供应激颗粒的转录组信息。在实际操作中，复杂的分离纯化步骤很容易造成组分丢失或引入污染，从而导致转录组数据含有较高的假阴性与假阳性。同时，这种分离方法无法应用于研究应激颗粒的组装与解聚动态过程。基于此，目前关于应激颗粒的RNA组成及其动态过程下的RNA组成变化仍然研究有限。

近日，北京大学化学与分子工程学院、北大-清华生命科学联合中心邹鹏研究员课题组在Nature Communications上发表题为“Profiling stress-triggered RNA condensation with photocatalytic proximity labeling”的论文，利用发色团辅助邻近标记技术（Chromophore-assisted proximity labeling and sequencing，CAP-seq），首次解析了无刺激条件与刺激后恢复阶段下应激颗粒核心组分中转录组组成的变化，拓展了细胞质内基于液-液相分离构成的无膜细胞器在动态变化下的模型。

该工作将他们近年开发的RNA邻近标记技术CAP-seq应用于研究应激颗粒转录组。在蓝光激发下，蛋白质光催化剂miniSOG能够介导对邻近RNA分子上鸟嘌呤的氧化损伤，同时将一个带有生物正交官能团的氨基探针共价交联到损伤碱基，从而实现在~20纳米的空间尺度下对亚细胞区域中RNA的标记。该工作首先将miniSOG与应激颗粒的核心组份蛋白质G3BP1融合表达在人胚胎肾细胞HEK293T中，利用亚砷酸钠氧化胁迫或山梨糖醇渗透压胁迫两种方式诱导应激颗粒的产生，并开展CAP-seq标记其中的RNA组分。由此获得的CAP-seq数据集在两种刺激条件下分别包含457和822个转录本，后续的单分子荧光成像实验验证了该数据集具有高度的空间特异性。由此也发现了应激颗粒的RNA组分在不同刺激条件下存在143个共有的转录本成分，这为深入解析应激颗粒的组装机制提供了重要线索。

更进一步，该工作利用CAP-seq能够直接标记RNA的优势首次解析了应激颗粒在动态变化下的转录组组成，包括在无刺激的本底水平下存在的应激颗粒相关作用网络中的RNA组成，以及在亚砷酸钠刺激撤去后应激颗粒解聚过程中基于G3BP1蛋白的核心组分中RNA成的变化。该工作发现，在刺激下转录本上CDS与3’UTR序列上丰富的AU组成能够促进RNA靶向至应激颗粒。在应激颗粒解聚过程中，具有更长3’UTR且AU含量高的转录本倾向于保留在应激颗粒中，同时无刺激下应激颗粒核心组分中的mRNA具有较高m6A修饰水平，并且能够促进mRNA在应激颗粒解聚初期仍定位在应激颗粒的核心结构中。此外，该工作发现在应激颗粒基本解聚后，其核心组分的RNA组成更加类似于成熟应激颗粒中的RNA组分特征，由此推测应激颗粒的核心组分在解聚后发生了重塑，外界的刺激可能会在细胞中产生长时间的影响。

基于CAP-seq解析不同条件下的应激颗粒转录组组分

邹鹏为该论文的共同通讯作者，博士研究生任子琪与课题组已毕业的唐微博士为该论文的共同第一作者。该工作得到了国家自然科学基金委、科技部、北京分子科学国家研究中心、生物有机与分子工程教育部重点实验室、北京脑科学与类脑研究所的支持。