Hox转录因子Ultrabithorax(Ubx)通过协同DNA/RNA结合调控可变剪接并塑造体内同源异型功能的分子机制

本研究揭示了果蝇Hox转录因子Ultrabithorax(Ubx)通过独特的DNA/RNA协同结合机制调控可变剪接的新范式。研究人员发现Ubx通过同源二聚化依赖的途径调控剪接过程，鉴定出关键RNA结合残基K58，并证明其RNA结合能力对胚胎肌肉发育的同源异型功能至关重要。该研究为理解转录因子在共转录调控中的多重角色提供了新视角，发表于《Nucleic Acids Research》。

　　

在生命体复杂的发育过程中，转录因子(TFs)如同交响乐团的指挥，协调着基因表达的时空程序。然而，传统认知中这些"指挥家"主要通过DNA结合来调控转录的认知正被颠覆——越来越多的证据表明，许多转录因子还具有RNA结合能力，这种"双重身份"可能重塑我们对基因调控的理解。在果蝇发育过程中起关键作用的Hox转录因子Ultrabithorax(Ubx)就是这样一个谜题：它既通过DNA结合调控靶基因转录，又能结合RNA，但后者在发育中的功能意义始终未明。

法国里昂功能基因组学研究所等机构的研究团队在《Nucleic Acids Research》发表的研究，首次系统揭示了Ubx通过协同DNA/RNA结合调控可变剪接的分子机制及其在胚胎肌肉发育中的关键作用。研究通过构建系列突变体，发现Ubx通过动态同源二聚化形成共转录微环境，其中DNA结合能力负责定位靶基因，而RNA结合能力则直接调控剪接过程。特别重要的是，研究者鉴定出Homeodomain(HD)结构域中K58残基是RNA结合的关键位点，并证明这种结合能力对肌肉形态发生和体节身份决定不可或缺。

研究主要采用以下关键技术：荧光恢复后漂白(FRAP)分析Ubx核内动力学；染色质免疫沉淀(ChIP)和RNA免疫沉淀(RIP)分别检测DNA/RNA结合；电泳迁移率变动分析(EMSA)验证蛋白-核酸相互作用；果蝇胚胎肌肉组织免疫荧光成像；RNA测序分析剪接变异；利用Ubx^Gal4-M1突变体进行体内功能拯救实验。

Ubx展现超越DNA结合能力的"兼职"功能
研究发现Ubx^N51A(DNA结合缺陷突变体)虽不能激活转录，却能与野生型Ubx协同调控特定靶基因(如Pura、pAbp)的可变剪接。通过FRAP分析发现，Ubx^N51A与Ubx^WT共表达时核内扩散速率显著降低，表明二聚化使突变体被"锚定"在转录活跃区域。

Ubx剪接活性不单纯依赖DNA结合能力
RNA免疫沉淀显示，Ubx^N51A单独表达时不结合靶RNA，但与Ubx^WT共表达时能富集在Pura等基因的可变外显子上。有趣的是，这种协同效应仅见于"纯剪接调控"靶基因，而在Chas等"转录+剪接"双调控靶点中不出现，提示存在两种独立机制。

Ubx核分布与其DNA非依赖的剪接功能相关
UV交联实验检测到Ubx二聚体与RNA的特异结合，而细胞交联实验证实Ubx^WT/Ubx^N51A异源二聚体为瞬时相互作用。这种动态二聚化可能通过提高局部Ubx浓度，促进其接近靶RNA。

HD的K58残基对Ubx-RNA结合至关重要
通过系统突变HD的α3螺旋，发现K58A突变显著削弱Ubx-RNA结合而不影响DNA结合。体外结合实验显示，K58A对多种RNA探针的结合能力下降60%，而K57A突变主要影响DNA结合。

K58残基促进肌肉形成
在Ubx/U1-70K遗传互作模型中，Ubx^K58A无法拯救肌肉缺陷，而DNA结合突变体Ubx^K57A能部分恢复表型，证明RNA结合对肌肉发生具有特异性贡献。

协同的Ubx-DNA/RNA结合活性参与同源异型功能
在Ubx^Gal4-M1纯合突变拯救实验中，Ubx^K58A仅能部分恢复腹部体节身份，效果弱于Ubx^K57A。但共表达Ubx^N51A和Ubx^K58A可完全拯救表型，证实二聚化能整合分离的DNA/RNA结合活性。

这项研究建立了转录因子通过协同DNA/RNA结合调控基因表达的新范式。Ubx同源二聚化形成的共转录微环境，既可通过DNA结合定位靶基因，又能通过RNA结合直接调控剪接，这种"空间耦合"机制为理解发育调控提供了新视角。研究发现K58介导的RNA结合在进化上保守，提示其他Hox蛋白可能采用类似机制。从应用角度看，该研究为异常剪接相关发育疾病的治疗提供了新靶点，也为合成生物学中精确调控基因表达提供了设计思路。