Nature丨科学家揭秘lncRNA NORAD维持基因组稳定性的新机制
人类基因组包含数千种长链非编码RNAs，但目前仅发现大约十几种lncRNAs有特定的生物功能和生化机制。另外，关于lncRNA维持基因组稳定的作用还知之甚少。因此，研究者找到了一个探索lncRNA维持基因组稳定性的理想分子——NORAD，原因是NORAD相对于其他lncRNAs高度保守，在许多细胞类型中大量表达，并且在DNA损伤时其表达上调，当敲除NORAD时还可诱导染色体不稳定性和非整倍性。
在此前的研究中，德克萨斯大学西南医学中心的Joshua T. Mendell课题组在Cell上发表了题为Noncoding RNA NORAD Regulates Genomic Stability by Sequestering PUMILIO Proteins的研究论文，报道了lncRNA NORAD（由DNA损伤激活的非编码RNA）对于维持基因组稳定性的必要性，但却未阐明其分子机制。此外，还报道了PUMILIO作为一种高度丰富的细胞质RNA结合蛋白，在基因组稳定性方面没有已知作用，是唯一的NORAD相互作用蛋白。
A NORAD-PUMILIO Axis that Regulates Genomic Stability
对此，哈佛-麻省理工学院 Broad研究所Eric S. Lander课题组提出疑问：上述结果是从外源性NORAD片段与细胞质提取物在体外混合所得到的，这可能不能准确代表NORAD在活细胞中的蛋白质联系。
8月27日，Eric S. Lander课题组在Nature上在线发表了题为The NORAD lncRNA assembles a topoisomerase complex critical for genome stability的研究论文。提出NORAD和RBMX之间的相互作用对于NORAD功能至关重要，并且NORAD是组装先前未知的拓扑异构酶复合物NARC1所必需的，这有助于维持基因组稳定性。此外，还发现了一种长链非编码RNA先前未知的功能，即lncRNA具有调节RNA结合蛋白组装高阶核糖核蛋白复合物的能力。
研究者结合RNA反义纯化和质谱定量分析，鉴定出了直接与活细胞中NORAD相互作用的蛋白质。发现许多NORAD相互作用蛋白（包括RBMX及其逆转录酶RBMXL1等）在核过程中具有关键作用，例如DNA解旋、复制和修复。并且有71％定位于细胞核、核质或染色质，而只有5％仅定位于细胞质中。暗示NORAD具有重要的细胞核功能。
此外，smRNA FISH实验证实平均有40-50％的NORAD转录本存在于细胞核中，与此前报道的NORAD仅定位于细胞质中相反。并且当细胞受到DNA损伤和复制应激时，NORAD上调并且其核定位显著增加（至约85％）。
特别地，研究者注意到NORAD与RBMX相互作用，并且在转录组中含有最强的RBMX结合位点。RBMX作为DNA损伤反应的组分，其敲除表型与先前报道的NORAD敲除表型密切相关。研究者推断NORAD和RBMX之间的相互作用可能对NORAD功能至关重要。随后，证明了NORAD控制RBMX组装核糖核蛋白复合物的能力-该复合物称之为NORAD活化的核糖核蛋白复合物1（NARC1），含有已知的抑制基因组不稳定性拓扑异构酶I（TOP1）、ALYREF和PRPF19-CDC5L复合物。
随后，研究者将细胞中的NORAD或RBMX敲除后，发现染色体分离缺陷的频率增加，复制叉速度降低和细胞周期进展改变，这代表了与TOP1和PRPF19-CDC5L功能机制相关的表型。另外，发现NORAD在反式中的表达可以挽救NORAD缺失所引起的缺陷，但是当NORAD中的RBMX结合位点缺失时，挽救则大大受损。
最后，研究者表示NORAD促进NARC1组装的确切机制可能包括：（1）诱导RBMX的构象变化；（2）将大量RBMX分子募集到其5'末端以产生蛋白质相互作用支架；（3）利用其他直接相互作用使NARC1成员近距离接触。并且除了结构特征外，NORAD还具有不同寻常的功能特征，因为NORAD在细胞核中的定位可以由DNA损伤触发，这可以使细胞快速组装NARC1或重新定位预组装复合物，而无需额外的蛋白质合成。
参考文献：
1. Lee S, Kopp F, Chang T C, et al. Noncoding RNA NORAD regulates genomic stability by sequestering PUMILIO proteins[J]. Cell, 2016, 164(1): 69-80.
2. Munschauer M, Nguyen CT, Sirokman K, et al. The NORAD lncRNA assembles a topoisomerase complex critical for genome stability[J]. Nature, 2018.