近日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心张余研究团队和王佳伟研究团队以及浙江大学冯钰团队合作，在顶尖学术期刊《科学》上发表研究成果，首次解析了RNA聚合酶IV（Pol IV）的低温电镜结构，并揭示Pol IV与另一种RNA聚合酶RDR2组装形成复合物并制造双链RNA的机制。

RNA聚合酶IV是植物特有的一种RNA聚合酶，由多个亚基组成，也是真核生物中五种依赖于DNA的多亚基RNA聚合酶之一。这类RNA聚合酶对于调控基因表达至关重要，在遗传信息从DNA流向RNA的环节发挥作用。

以往的研究让科学家们逐一解开了RNA聚合酶I、II、III的三维结构，并了解它们如何作为单个单元产生单链RNA的过程。此次研究则首次揭晓了2005年才被发现的RNA聚合酶 IV的清晰面目。与已知的RNA聚合酶I、II、III不同，RNA聚合酶IV需要与RDR2形成复合物起作用，并且催化合成的是双链RNA。

这种双链RNA被称为小干扰RNA前体，加工后成为24个碱基的小干扰RNA，随后与RNA聚合酶V产生的RNA进行配对，从而招募DNA甲基转移酶（DRM2）完成DNA的甲基化。在植物中，对转座子（transposon）DNA进行甲基化修饰相当于“封印”住跳来跳去的转座子，避免活跃的转座子干扰其他基因。因此，RNA聚合酶IV参与的RNA导向的DNA甲基化（RdDM）是高等植物基因组甲基化的重要途径，对于植物维持基因组稳定非常关键。

▲真核生物RNA聚合酶Pol IV与RDR2形成的复合物三维结构(图片来源：参考资料[2])

研究人员介绍，此次工作中，他们克服了低丰度超大蛋白质复合物的制备瓶颈，通过拟南芥的悬浮细胞体系纯化了内源的Pol IV-RDR2复合物，随后通过冷冻电镜单颗粒重构技术，解析了Pol IV-RDR2全酶和Pol IV-RDR2转录延伸复合物冷冻电镜结构，并结合生物化学和遗传学实验进一步阐明了Pol IV和RDR2协作的分子机制。

三维结构向我们揭示，Pol IV和RDR2这两个聚合酶的催化中心由一个内部的通道相连，Pol IV以双链DNA为模板合成的单链RNA通过这个内部通道直接移交给RDR2，RDR2则以这条单链RNA为模板输出双链RNA。

▲研究示意图：Pol IV与RDR2高效合作合成双链RNA的机制（图片来源：参考资料[1]）

这项研究还阐明了真核RNA聚合酶的进化轨迹，数据支持RNA聚合酶IV由RNA聚合酶II进化而来，但其催化中心和外部结构单元在几亿年的演化过程中发生了改变。

注：原文有删减

参考资料：

[1] Kun Huang et al., (2021) Pol IV and RDR2: A two-RNA-polymerase machine that produces double-stranded RNA. Science Doi: 10.1126/science.abj9184

[2] 冯钰课题组《Science》合作发文揭示植物独特的转录机制 Retrieved Jan. 7, 2022 from https://www.zju.edu.cn/2022/0105/c32861a2468978/page.htm