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曹曉風院士團隊在植物核糖體前體加工和組裝分子機制研究中取得進展
核糖體是細胞內蛋白質合成的分子工廠，其生物合成是細胞內復雜、耗能的基本生物學過程之一，受到嚴格的監管和調控。真核生物核糖體生物合成起始于細胞核內核糖體DNA (rDNA)轉錄，其產生的核糖體前體RNA (pre-rRNA)分子與一系列組裝因子(Assembly Factor, AF)動態組裝為90S/SSU(Small Subunit)核糖體前體復合物(pre-ribosomes)，并經歷pre-rRNA轉錄后加工、核糖體RNA (rRNA) 共價修飾、核糖體蛋白(r-proteins)有序結合以及核糖體空間結構重排等過程，終在細胞質中完成加工產生成熟核糖體參與蛋白質合成。核糖體生物合成缺陷會導致嚴重的生物學后果，包括動植物胚胎致死、嚴重的人類遺傳疾病 (比如ribosomopathies)和癌癥的高頻發生，以及農作物環境脅迫應答的異常和減產。對核糖體生物大分子的合成和pre-rRNA轉錄后加工的調控機理研究一直是生命科學的研究熱點。酵母和動物中有關核糖體前體加工和組裝的研究相對較多，而植物中對于該過程的認知卻十分有限。
2020年10月15日，中國科學院遺傳與發育生物學研究所植物基因組學國家重點實驗室曹曉風院士團隊在Molecular Plant 在線發表了題為“Protein Arginine Methyltransferase 3 Fine-tunes the Assembly/Disassembly of Pre-Ribosome to Repress Nucleolar Stress by Interacting with RPS2B in Arabidopsis ” 的研究論文，揭示了蛋白質精氨酸甲基轉移酶參與調控高等植物核糖體生物合成并抑制核仁脅迫的分子機制。
該團隊前期研究工作發現擬南芥蛋白質精氨酸甲基轉移酶AtPRMT3功能缺失突變體atprmt3-2表現出真葉變尖、種子萌發滯后、主根變短、對翻譯抑制劑響應異常和多聚核糖體譜式紊亂等多效的類似核糖體相關突變體的生長發育缺陷。進一步研究揭示高等模式植物擬南芥中存在兩條可變的pre-rRNA加工通路，并且AtPRMT3通過促進pre-rRNA的可變加工通路的平衡進而參與調控核糖體生物合成過程，促進植物生長發育 (Hang et al., 2014, PNAS)。
為了進一步探索AtPRMT3參與pre-rRNA可變加工通路平衡進而促進核糖體生物合成的分子機理，研究團隊采用了正向遺傳學策略，并成功篩選到atprmt3-2的若干顯性抑制子，它們皆能有效地恢復atprmt3-2的發育缺陷表型和pre-rRNA加工異常的分子表型。重測序分析和DNA測序驗證發現在這些顯性抑制子中，atprmt3-2的T-DNA插入位點的上游編碼區發生提前終止突變，進而促進了AtPRMT3-N端截短蛋白的合成。鑒于該N端截短蛋白含有完整的C2H2類型鋅指結構域，而精氨酸甲基轉移酶酶活關鍵的Double-E結構域則被*破壞，作者推測AtPRMT3的生物學功能不依賴其酶活活性，并通過一系列遺傳互補實驗證實了該假設。由于鋅指結構往往參與分子間互作，該團隊進一步通過免疫沉淀(IP)結合液相串聯質譜(LC-MS/MS)技術鑒定獲得了AtPRMT3的植物內源互作蛋白---核糖體小亞基蛋白RPS2家族蛋白，包含2A、2B、2C和2D四個成員。其中RPS2A和RPS2B的同源性非常高，只有一個氨基酸的差異。轉錄組分析和遺傳互補實驗表明RPS2B的表達量遠高于RPS2A，且在體內發揮著主效功能。
rps2a2b-1 突變體表現出與atprmt3-2相似的生長發育缺陷和pre-rRNA可變加工異常，而三突變體則表現胚胎致死表型，表明RPS2B與AtPRMT3在協同調控核糖體生物合成過程中具有重要功能。隨后通過RNA免疫沉淀實驗、IP-LC-MS/MS、以及分子篩實驗發現當AtPRMT3發生缺失突變后，RPS2B與90S/SSU核糖體前體加工復合體組分相互作用顯著增強，且90S/SSU核糖體前體加工復合體中U3 snoRNP核心蛋白在atprmt3-2中明顯滯留在大分子復合體中，表明核糖體前體加工和動態組裝的滯后，這可能是造成atprmt3-2中pre-rRNA可變加工方式失衡的直接原因。atprmt3-2中核糖體前體復合體動態組裝的紊亂進一步引發包括核仁異常增大在內的核仁脅迫/核糖體脅迫，導致異常的生長發育表型。
綜上所述，該研究闡明了AtPRMT3及其互作蛋白RPS2B在調控核內90S/SSU加工復合體的動態組裝、下游核糖體的加工組裝和核仁脅迫過程中的重要功能。在酵母、小鼠和人類細胞中PRMT3與RPS2也同樣存在互作，因此該調控機制可能是保守的。該研究不僅揭示了擬南芥精氨酸甲基轉移酶AtPRMT3調控核糖體生物合成和植物生長發育的分子機理，也為其他物種中的相關研究提供了理論基礎。
中國科學院遺傳與發育生物學研究所博士后杭潤來和王震為論文共同第yi作者，曹曉風研究員，劉春艷副研究員和孫婧助理研究員為論文共同通訊作者。深圳大學莫蓓莘教授和美國加州大學河濱分校陳雪梅教授參與了研究工作。該工作得到國家自然科學基金委、中國科學院先導專項、中國科學院前沿科學重點研究計劃和植物基因組學國家重點實驗室的資助。