Exosome复合体及其辅助因子在控制核内降解和出核的RNA数量中的作用

Eukaryotic gene expression is a highly regulated process that involves many distinct surveillance mechanisms. When nuclear export is inhibited, mRNAs are extensively degraded in the nucleus, suggesting that mRNA export has interplay with mRNA degradation. However, the underlying mechanism for this interplay is unclear. A critical component of the RNA surveillance machine is the exosome complex, for which the complete in vivo function requires many co-factors. Here, we plan to combine biochemical, molecular biological and transcriptomic methods to study how the exosome complex and its co-factors interplay with mRNA export factors, rapidly detecting and degrading export-defective mRNAs. On the basis of this, we plan to define the in vivo targets of the human exosome complex and investigate how the exosome co-factors and mRNA export factors compete to create balanced nuclear RNA pools for export or degradation. This study will not only explore the function and working mechanism for the human exosome complex, but also promote our understanding about how RNA surveillance machine coordinates with RNA export machine to maintain the quality and quantity of nuclear RNAs.

基因表达的每个步骤都受到严密的质量监控。当出核转运受到抑制时，mRNA会在核内被大量降解，提示mRNA出核转运与mRNA降解之间存在功能上的关联。然而，这种关联的分子机制还不十分清楚。exosome复合体（exosome）是RNA质量监控系统的重要组成部分，它在细胞内的完整功能需要其辅助因子的参与。在本项目中，我们计划利用生物化学，分子生物学和转录组学手段，研究exosome辅助因子如何与mRNA出核蛋白之间协同作用，识别出核异常的mRNA并招募exosome将其清除；在转录组范围内鉴定人exosome的RNA底物，研究exosome辅助因子在控制细胞核内降解和出核两种不同命运的RNA pools中的作用。这些研究可以明确exosome及其辅助因子在RNA质量监控中的功能和作用机制，还将揭示RNA出核和降解通路间如何相互协调控制细胞核内RNA的质量和数量。

基因表达的各个步骤均受到严密的质量监控，exosome复合体是RNA质量监控系统的重要组成部分。它是一个具有内切酶活性和3’-5’外切酶活性的多亚基复合体，可参与加工和降解多种RNA。hMTR4作为重要的辅助蛋白在细胞核内exosome的功能发挥中至关重要。Exosome复合体的底物繁多，底物识别机制是关于exosome的一个基本问题，但目前对真核细胞中exosome复合体和辅助蛋白如何准确识别底物RNA的机制尚未研究清楚。多项研究表明当mRNA的核质转运受到抑制时，细胞核内会发生广泛的mRNA降解。这提示mRNA的核质转运和降解间存在着功能上竞争的关系，但对背后分子机制的了解十分有限。在本项研究工作中，通过对exosome复合体组分hRRP40或辅助蛋白hMTR4沉默细胞的核内RNA进行深度测序，发现并证实了在RNA加工和出核功能正常的细胞中，相当一部分mRNA和长非编码RNA均是exosome复合体的降解底物。通过对exosome复合体招募机制的研究，揭示了hMTR4可以特异地将exosome复合体招募至其底物RNA上。非常有趣的是，这种招募特异性是通过hMTR4与mRNA出核接头蛋白ALYREF竞争结合CBC（cap-binding complex）来实现的。进一步的研究表明，这样的竞争机制决定了细胞核内的RNA走向出核还是降解，并可能确保了发生出核或降解的RNA库的平衡（EMBO J, 2017）；在此基础上，我们系统性地探讨了RNA分选的时空特性（NAR，2018）；探索了新生转录本分选的调控方式（Genes Dev，2019）。