蛋白质精氨酸甲基转移酶AtPRMT5参与转录与可变剪接调控的功能解析

Protein arginine methylation, one of the most important post-translational modifications in eukaryotes, is catalyzed by the protein arginine methyltransferases (PRMTs) and involved in various key biological processes. As the major symmetric arginine methyltransferases in Arabidopsis, AtPRMT5 is implicated in transcriptional regulation and pre-mRNA alternative splicing，but the mechanism remains to be elusive. Alternative splicing plays an important role in gene expression regulation and coupled with transcription tightly, and the phosphorylation of carboxy‑terminal domain (CTD) extends from the largest subunit of RNA polymerase II (Pol II) is essential for coupling of transcription with pre-mRNA splicing. To elucidate the role of AtPRMT5 in plant growth and development，we identified its substrate CDKC2.Researches have shown that Arabidopsis CDKC2 can catalyze the phosphorylation of CTD. In this project, to reveal the function mechanism of AtPRMT5, we will adopt methods of genetics，biochemistry and bioinformatics synthetically. Ultimately, the role of AtPRMT5 directed arginine methylation of CDKC2 in transcription and pre-mRNA processing will be uncovered and the molecular mechanism of protein arginine methylation in plant growth and development will be addressed.

蛋白质精氨酸甲基化是真核生物中重要的蛋白质翻译后修饰之一，由蛋白质精氨酸甲基转移酶(PRMT)催化完成，参与调控细胞多种重要的生命过程。AtPRMT5是拟南芥中主要的催化对称性双甲基化修饰的酶，参与转录调控与mRNA前体拼接，但机制尚不清楚。前体mRNA的剪接在基因表达调控过程中至关重要且与转录紧密相联，RNA聚合酶Ⅱ复合体最大亚基的CTD结构域磷酸化修饰在其中具有重要的调控作用。为揭示AtPRMT5参与植物生长发育调节的作用机制，我们鉴定到它的一个底物为蛋白激酶CDKC2。研究表明，拟南芥中CDKC2催化CTD发生磷酸化修饰。因而本项目围绕AtPRMT5作用机制这一关键的科学问题，综合采用生物化学、分子生物学和生物信息学等研究手段，解析AtPRMT5通过甲基化CDKC2并调控其激酶活性参与转录与mRNA前体加工的分子机制，从而阐明蛋白质精氨酸甲基化修饰参植物生长发育过程的分子调控机制。

蛋白质精氨酸甲基转移酶(Protein arginine methyltransferases, PRMTs)参与多种细胞生物学过程，对动物的生长发育极为重要而且与人类疾病密切相关。在高等植物中，尽管已有一些有关PRMTs的研究报道，但是其参与植物生长发育过程的作用机制还有待于进一步的研究。AtPRMT5是拟南芥中主要的催化对称性双甲基化修饰的酶，参与转录调控与mRNA前体拼接，但具体机制尚不清楚。前体mRNA的剪接在基因表达调控过程中至关重要且与转录紧密相联，RNA聚合酶II复合体最大亚基的CTD上特定位点氨基酸的磷酸化修饰在其中具有重要的调控作用。为揭示AtPRMT5参与共转录加工的机制，我们利用蛋白质组学的方法系统鉴定AtPRMT5植物体内的底物发现，AtPRMT5可以甲基化蛋白激酶CDKC2，遗传分析表明atprmt5cdkc2双突变体可以特异性的部分恢复atprmt5突变体在植株大小、根长与细胞死亡等方面的表型缺陷；RNA-seq数据分析发现atprmt5cdkc2双突变体可以部分恢复atprmt5突变体中一些基因在可变剪接方面的异常，而且此类基因特异性的参与了植株大小、根长与DNA损伤修复等生命过程，表明AtPRMT5一定程度上通过CDKC2发挥生物学功能。已有报导表明CDKC2可以催化RNA聚合酶Pol Ⅱ的CTD发生Ser2P磷酸化修饰。我们的研究结果发现AtPRMT5介导的CDKC2的精氨酸甲基化修饰可以抑制CDKC2磷酸化CTD-Ser2P的能力，从而影响了Pol II转录状态进而调控RNA共转录加工。本项目的研究结果首次发现了AtPRMT5通过甲基化蛋白激酶CDKC2调控其激酶活性进而参与共转录加工的新机制，揭示了造成atprmt5突变体生长发育异常的可能原因，从而阐明了蛋白质精氨酸甲基化修饰参与植物生长发育过程的分子调控机制。更重要的是，我们还发现该调控机制在小鼠中同样存在且保守，为研究PRMT5参与人类疾病发生的作用机制研究提供新的思路。综上所述，该方面的工作对深入研究PRMTs通过催化其底物蛋白发生甲基化修饰并精细调控底物蛋白的功能来调控基因表达具有重要意义。