木質纖維素的高效降解是纖維素基液體燃料與沼氣等清潔能源產業的關鍵瓶頸之一，也是生物圈碳循環和生態平衡的重要環節。近日，中國科學院青島生物能源與過程研究所在纖維素生物降解機制取得突破，發現了一種基于RNA選擇性剪切與保護的嶄新調控方式。該工作于4月24日在線發表于Nature Communications。 

　　 “纖維小體”（cellulosome）是自然界中降解纖維素最快的蛋白質分子機器。它是纖維素酶的復合體，由可多達幾十個在功能上協同合作的亞基組成。而維持這些蛋白質亞基之間特定的化學計量比例（stoichiometry）對于高效降解纖維素至關重要。但是，細胞是如何編碼、識別和控制這一特定的化學計量比例呢？ 

　　青島能源所單細胞研究中心功能基因組團隊許成鋼副研究員、博士研究生黃冉冉等以解纖維梭菌（Clostridium celluloyticum）為模式物種，通過差異RNA測序技術（dRNA-Seq），在全基因組水平對轉錄起始位點（transcriptional start sites, TSs）和轉錄后剪切位點進行了精確定位（post-transcriptional processed sites, PSs），發現選擇性RNA剪切和保護機制（Selective RNA Processing and Stabilization）在轉錄后水平精確地控制著纖維小體的化學計量比例（圖1）。 

　　許成鋼等證明，包含12個基因的纖維小體基因簇cip-cel屬于同一個轉錄單位，即同一個操縱子。但是，它們在轉錄本層面的豐度比例卻是奇怪的100:110:9:8:38:5:4:2:3:2:3:5, 而且與蛋白質層面的豐度比例成正相關。深入研究發現，這些基因的間隔區分布有至少五個核糖核酸內切酶的剪切位點，導致cip-cel操縱子初始轉錄的多順反子mRNA被剪切成至少六個RNA片段。而這些RNA片段3’端的頸環結構因其二級結構的不同，造成了這些RNA片段的穩定性差異，從而形成了纖維小體特定的化學計量比例。有趣的是，這些頸環結構在相關細菌的纖維小體基因簇中既相對保守，又有物種特異性。因此，研究人員提出，在活體細胞中，纖維小體化學計量比例是由基因間DNA序列通過頸環結構的折疊能量精確編碼的，并通過核糖核酸酶對RNA上這些位點的特異性識別、剪切和選擇性保護，實現了對纖維小體“配方”的精確控制，進而驅動著物種纖維素降解能力的進化。 

　　這種新發現的蛋白復合體化學計量比例編碼、識別和控制機制，既簡潔又巧妙。它保障了纖維小體的“家傳配方”得以可靠地繼承，同時保證了配方中的諸多“配料”能夠同時、同步、且嚴格地按照指定的比例來供應、搭配和組裝成一個精密、復雜的分子機器。這一新發現很可能代表著一種共性規律，也適用于細胞中其它蛋白質分子機器的設計和裝配。 

　　該研究為”超級纖維小體”和”超級纖維素降解細胞” 的人工設計和定制化裝配開辟了一個新方向和新思路。這些發現還預示著一系列基于選擇性RNA剪切與保護來精確編碼與調控蛋白復合體“配方”的合成生物學新工具。 

    該研究獲得了國家自然科學基金委青年科學基金（31200029）和國家杰出青年科學基金（31425002），以及科技部973計劃等支持，由中國科學院青島生物能源與過程研究所徐健研究員主持的單細胞研究中心功能基因組團隊與崔球研究員主持的合成生物技術研究中心代謝物組學團隊合作完成。

　　圖1. 細菌纖維小體“家傳配方”的編碼與控制機制 

參考文獻：  

Xu Chenggang, Huang Ranran, Teng Lin, Jing Xiaoyan, Hu Jianqiang, Cui Guzheng, 

Wang Yilin, Cui Qiu, Xu Jian, Cellulosome stoichiometry in Clostridium 

cellulolyticum is regulated by selective RNA processing and stabilization 

(2015), Nature Communications, 6:6900 | DOI: 10.1038/ncomms7900