SSUP-72/PINN-1 模块：调控线虫发育基因表达的关键 “开关”

为探究 CDK-12 和 CTD S2P 在秀丽隐杆线虫（C. elegans）胚胎后早期发育中的作用及 SL2 反式剪接的调控因子，研究人员开展相关研究。结果发现 SSUP-72/PINN-1 模块可协调操纵子基因表达和生长，这为理解线虫发育转录调控提供新视角。

　　在微观的生物世界里，基因的表达调控就像一场精密的交响乐演奏，每个环节都至关重要。在秀丽隐杆线虫的发育进程中，从 L1 发育停滞中脱离并开启生长与发育的征程，离不开一系列生长和发育基因的有序激活。然而，这些基因的转录和表达调控机制却迷雾重重。其中，RNA 聚合酶 II（Pol II）最大亚基的 C 末端结构域（CTD），由 Y-S-P-T-S-P-S 七肽重复序列构成，其磷酸化状态在转录过程中起着关键作用，就像一把钥匙，控制着转录和 mRNA 加工的大门。但 CTD 不同位点的磷酸化如何精准调控转录和 mRNA 加工，以及它们在生物发育中的具体作用，仍有待深入探索。

同时，在秀丽隐杆线虫中，许多生长和发育相关基因组成操纵子结构，其转录终止与 mRNA 3′端加工的关系复杂。CDK-12 介导的 Pol II CTD S2 磷酸化对操纵子下游基因的 SL2 反式剪接至关重要，可一旦 CDK-12 受到抑制，线虫就会陷入 L1 发育停滞，这背后的调控网络究竟是怎样的，成为了亟待解决的科学难题。

为了揭开这些谜团，来自比利时那慕尔大学（1URPHYM-GEMO, The University of Namur）、瑞士日内瓦大学（Department of Molecular and Cellular Biology, Faculty of Sciences, University of Geneva）和英国弗朗西斯?克里克研究所（The Francis Crick Institute）的研究人员携手合作，开展了一项深入研究。他们的研究成果发表在《Nature Communications》上，为我们揭示了这一神秘调控网络的关键部分。

研究人员采用了多种关键技术方法。在基因编辑方面，利用 CRISPR-Cas9 技术对基因进行精准编辑；通过 EMS 诱变筛选，寻找能够绕过 CDK-12 抑制导致的 L1 发育停滞的突变体；运用 Global run-on 测序（GRO-seq）技术，在全基因组水平分析转录情况，测量新生 RNA，了解 Pol II 的分布和动态变化；借助 RNA 测序（RNA-seq）技术，探究基因表达水平的变化；使用 Western blot 技术检测蛋白质的磷酸化水平。

研究结果如下：

1. SSUP-72 抑制 CDK-12 失活导致的 L1 发育停滞：研究人员通过 EMS 诱变筛选，发现 ssup-72 基因的突变（E22K）能有效抑制 CDK-12 抑制导致的 L1 发育停滞。进一步实验证实，无论是 ssup-72 [E22K] 突变体，还是 ssup-72 基因敲除（tm2304）的线虫，都能绕过对 CDK-12 的需求，恢复早期幼虫发育。而且，这种抑制作用与 CTD S2P 水平无关，具有特异性，且 ssup-72 [E22K] 是一种低表达等位基因12。
2. CDK-12 调节转录延伸：GRO-seq 结果显示，抑制 CDK-12as 会改变 Pol II 在活跃基因上的分布，导致其在基因体上的占有率增加，说明转录延伸过程受到影响。但令人意外的是，尽管 cdk-12as 突变体和 cdk-12as;ssup-72 [E22K] 双突变体的 Pol II 分布相似，但前者发育停滞，后者却能正常生长，表明 CDK-12as 抑制对转录延伸的影响并非直接导致 L1 发育停滞的原因。同时，SSUP-72 [E22K] 突变虽不影响转录起始和延伸，但会降低 3′端暂停34。
3. SSUP-72 缺失恢复 CDK-12 抑制后的 SL2 反式剪接：RNA-seq 实验表明，CDK-12 失活会使操纵子中 2 + 基因的 mRNA 水平下降，而 ssup-72 [E22K] 突变能部分恢复这些基因的表达。不过，其 mRNA 水平仍低于野生型。进一步分析发现，这种恢复不是因为 SL2 反式剪接被 SL1 反式剪接替代56。
4. SSUP-72 控制操纵子内的早期终止：对 GRO-seq 数据的分析显示，在 cdk-12as;ssup-72 [E22K] 双突变体中，2 + 基因上的 Pol II 占有率增加，且在转录终止位点（TES）附近的保留也增加，这表明 SSUP-72 磷酸酶活性的丧失能对抗 CDK-12as 抑制时 Pol II 在 2 + 基因上的早期转录终止，且这种现象只特异性地出现在 2 + 基因上78。
5. SSUP-72 协调操纵子发育基因表达：研究发现，SSUP-72 的失活会影响 unc-44 基因的转录终止，使长亚型 unc-44f 的表达增加。同时，SSUP-72 的失活会降低 Pol II 在 3′端的暂停，影响前体 mRNA 的切割效率和动态，导致操纵子基因间的 SL2 外显子水平增加。这揭示了 SSUP-72 在调节操纵子基因间 Pol II 暂停，协调发育基因表达方面的重要作用910。

研究结论和讨论部分指出，该研究发现了非必需的 CTD S5P 磷酸酶 SSUP-72 的突变能抑制 CDK-12 失活导致的 L1 发育停滞。SSUP-72/PINN-1 模块在协调操纵子基因表达方面发挥着关键作用，它通过改变 Pol II 在 3′端的停留时间，影响前体 mRNA 的切割动态，避免操纵子内的过早终止，使生长和发育基因的表达达到足以防止 L1 发育停滞的水平。这一研究为理解转录过程中 CDK-12 和 SSUP-72/PINN-1 的作用，以及它们在秀丽隐杆线虫胚胎后发育中的生理意义提供了新的关键见解，为后续深入研究转录调控机制和生物发育进程奠定了坚实基础 。