RNA聚合酶III转录相关多聚腺苷酸化促进感染期间非编码逆转录转座子积累的分子机制

这篇研究揭示了γ疱疹病毒感染通过诱导RNA聚合酶III（Pol III）转录和mRNA样3′端加工（polyadenylation）双重机制，显著提高短散在核元件（SINE）RNA的稳定性。研究者结合卷积神经网络（CNN）模型与基因组学分析，发现病毒通过Pol III依赖性招募多聚腺苷酸化机器（CPSF复合物）至B2 SINE和tRNA基因位点，从而增强非编码RNA的丰度。该发现为理解病原体应激下逆转录转座子调控提供了新视角。

　　

RNA聚合酶III转录相关多聚腺苷酸化促进感染期间非编码逆转录转座子积累

Significance

短散在核元件（SINEs）作为Pol III转录的非编码逆转录转座子，在健康体细胞中通常被抑制，但在病毒感染等应激条件下显著积累。本研究以γ疱疹病毒（MHV68）感染为模型，发现病毒通过双重机制诱导SINE RNA表达：一方面增强Pol III转录活性，另一方面通过Pol III依赖性招募多聚腺苷酸化机器（如CPSF复合物），促进SINE RNA的mRNA样3′端加工。这种可诱导的Pol III转录与多聚腺苷酸化耦合机制，为理解病原体应激下非编码RNA调控提供了新范式。

Abstract

Pol III转录的SINE RNA积累是DNA病毒感染等细胞应激的标志，但其分子机制尚不明确。研究发现，MHV68感染不仅激活Pol III转录，还诱导SINE RNA的3′端多聚腺苷酸化修饰。通过开发的卷积神经网络模型SAMBAR-Net，研究者鉴定出多聚腺苷酸化相关基序（如τ motif和AAUAAA信号）是感染诱导型SINE的核心特征。实验证实，mRNA多聚腺苷酸化机器（如Nudt21/CFIm25和CPSF30）以Pol III依赖性方式被招募至B2 SINE和tRNA基因位点，且多聚腺苷酸化修饰对SINE RNA的稳定积累至关重要。这一发现揭示了Pol III转录与多聚腺苷酸化在应激条件下的新型耦合关系。

关键发现

1. Pol III在感染期间选择性结合II型启动子

   ChIP-seq分析显示，MHV68感染后Pol III（Polr3A亚基）优先占据含II型启动子的B2 SINE和tRNA基因，而I型（如5S rRNA）和III型（如U6 RNA）启动子基因的结合变化不显著。值得注意的是，仅部分Pol III结合位点（约50% B2 SINE和少数tRNA基因）表现出感染依赖性增强，提示存在转录后调控机制。

2. 深度学习揭示多聚腺苷酸化基序的关键作用

   研究者开发的SAMBAR-Net CNN模型（基于DenseNet架构）在B2_Mm1a/t/2亚家族中准确预测高表达SINE位点（AUC 0.85-0.97）。TF-MoDISco分析锁定τ motif（含UGUA序列）和下游PAS（AAUAAA）为决定性特征。实验验证显示，携带完整多聚腺苷酸化信号的SINE RNA丰度显著高于突变体（P<10^-17）。

3. 多聚腺苷酸化机器的功能性验证

   • Northern blot显示感染后B2 SINE RNA出现多聚腺苷酸化“拖尾”，经oligo(dT)/RNase H处理后消失。

   • siRNA敲低Nudt21（识别τ motif）或CPSF30（PAS结合蛋白）可显著抑制多聚腺苷酸化和RNA积累，而CPSF73（内切酶）敲低影响较小，提示切割非必需。

   • ChIP-seq证实CPSF30在感染后被招募至高表达B2 SINE位点，且该过程依赖Pol III转录因子Brf1。

4. 跨物种保守性

   人源HeLa细胞数据显示，CPSF30同样结合Alu元件（人类SINE）和tRNA基因，且仅26% Alu和16% tRNA位于Pol II基因内，表明多聚腺苷酸化机器对Pol III位点的识别具有跨物种保守性。

机制模型

病毒感染通过未知信号重塑Pol III转录复合物，使其能够招募CPSF machinery至含τ motif/PAS的SINE位点。新生SINE RNA通过τ motif结合CFIm25/Nudt21，进而招募完整CPSF复合物（含CPSF30/100/73等），最终在Pol III终止信号（T-tract）附近发生非典型多聚腺苷酸化，显著延长RNA半衰期。

生物学意义

1. 病毒-宿主互作：疱疹病毒可能利用SINE RNA调控宿主免疫（如激活NF-κB）或干扰mRNA出核。

2. 疾病关联：SINE RNA积累与炎症性疾病（如NLRP3炎症小体激活）和热休克反应相关。

3. 进化启示：该机制可能促进SINE元件的逆转录转座（依赖polyA尾），解释其在基因组中的扩张。

技术亮点

1. SAMBAR-Net模型：首次将CNN应用于高重复序列的调控元件分析，实现单碱基分辨率特征识别。

2. 多维组学整合：结合ChIP-seq、ChIRP-MS和功能实验，揭示转录-加工偶联机制。

开放问题

1. 病毒如何特异性激活II型Pol III启动子？

2. CPSF在缺乏τ motif的tRNA基因上的招募机制？

3. 多聚腺苷酸化SINE RNA的精确降解途径？

这项研究为理解非编码RNA在应激响应中的调控提供了范式转变，也为靶向Pol III通路的抗病毒策略奠定基础。