沈辉等报道RNA解旋酶DDX3X和DDX3Y的功能差异和分子机制

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许多人类疾病表现出性别差异性，但这一差异的分子机制目前研究的尚不清楚。从基因层面上说，男性和女性最重要的差异在于性染色体。虽然X和Y染色体大体上是不同源的，但是一些X染色体编码的蛋白存在对应的Y染色体编码的同源蛋白。过去人们通常认为这些Y染色体编码的蛋白仅仅表达在生殖系统，但是现在越来越多的证据表明Y染色体编码的蛋白在转录和蛋白水平上存在于全身系统。这些性染色体编码的同源蛋白之间的功能差异目前还没有彻底研究清楚，但是越来越多的研究开始揭示X染色体和Y染色体编码的同源蛋白之间的差异。RNA解旋酶DDX3X和DDX3Y就是这样一对分别由X和Y染色体编码的同源蛋白，对其功能差异的研究将有助于人们更好的理解RNA代谢和人类疾病上的性别差异。

2022年5月18日，来自宾夕法尼亚大学Perelman医学院Kathy Liu团队的沈辉博士和博士生Amber Yanas共同一作在Molecular Cell杂志上发表了一篇题为Sexually dimorphic RNA helicases DDX3X and DDX3Y differentially regulate RNA metabolism through phase separation的文章，他们通过生化实验、高通量测序和单分子荧光技术，研究了染色体编码的RNA解旋酶DDX3X和DDX3Y在液-液相分离（liquid-liquid phase separation，LLPS）倾向性、相分离的溶解和蛋白翻译抑制上的不同。他们发现DDX3Y蛋白的N端内在无序序列（intrinsically disordered region，IDR）相比于DDX3X的N端内在无序序列能更强的促进其液-液相分离；DDX3Y的腺苷三磷酸酶活性（ATPase）比DDX3X低，并且这一活性差异造成DDX3Y的液-液相分离聚集体更加缓慢的解聚；DDX3Y通过液-液相分离形成的聚集体比DDX3X更加严重的抑制蛋白翻译过程；DDX3Y通过液-液相分离形成的聚集体比DDX3X更加促进FUS蛋白的聚集。总结起来，本研究通过体外和细胞内实验揭示了DDX3X和DDX3Y蛋白的功能差异及其分子机制，为未来研究性染色体编码的蛋白同源蛋白提供了范例。

研究人员首先比较了体外DDX3X和DDX3Y液-液相分离性质的差异，结果表明DDX3X相比于DDX3Y不容易发生相分离，而且DDX3X的相分离聚集体比DDX3Y相分离聚集体更加动态，即更加容易和周围容易交换分子。为了研究这一体外观测到的液-液相分离性质差异是否在体内也存在，研究人员在细胞中表达了DDX3X和DDX3Y，并用亚砷酸盐处理细胞诱导DDX3X和DDX3Y在细胞内发生液-液相分离并聚集到压力粒子（stress granule，SG）中。通过比较压力粒子大小及光漂白后荧光恢复（fluorescent recovery after photobleaching，FRAP）实验，研究者发现DDX3X在体内同样比DDX3Y发生液-液相分离倾向更小，而且更加动态。接着研究者研究了DDX3X和DDX3Y性质差异的分子机制。由于DDX3X和DDX3Y蛋白序列高度同源，尤其是在它们序列中间的核心结构域，而在它们序列两端的无序序列却存在一定差异，因此研究者将DDX3X和DDX3Y蛋白进行了不同的截断和对应序列的交换，通过体外和体内实验，研究者发现位于N端的无序序列是导致DDX3X和DDX3Y发生相分离倾向不同的主要因素。

随后研究者比较了DDX3X和DDX3Y相分离聚集体解聚性质的差异。考虑到DDX3X和DDX3Y能够通过水解ATP在释放结合的RNA，而DDX3X和DDX3Y液-液相分离是通过蛋白和RNA的相互作用介导的，因此研究者首先在体外通过ATP诱导DDX3X和DDX3Y相分离聚集体解聚，结果表明ATP能够使DDX3X和DDX3Y相分离聚集体都发生一定程度的解聚，但DDX3X解聚程度更深。通过测定ATP酶活，研究者发现DDX3X比DDX3Y的ATP水解活性显著高。此外，研究者利用单分子荧光共振能量转移（smFRET）来研究DDX3X和DDX3Y的ATP水解活性是怎样影响其RNA解旋的动态性的，结果表明DDX3X具有更强的ATP水解活性和相应的RNA解旋（部分）活性。总的来说，DDX3Y比DDX3X的ATP水解 活性弱，这使得DDX3Y的相分离聚集体解聚更慢。

最后，研究者研究了DDX3X和DDX3Y相分离性质不同在细胞内的影响。首先通过体外和体内蛋白翻译实验，研究者发现DDX3X相分离聚集体抑制蛋白翻译的程度比DDX3Y弱。其次通过一种基于抗坏血酸过氧化物酶（APEX2）的标记方法，研究者发现DDX3X和DDX3Y形成的压力粒子在细胞内调控不同的mRNA。最后研究者通过聚集实验和细胞定位 实验发现DDX3Y能够更强的促进FUS蛋白的聚集。

综上所述，这项研究表明RNA解旋酶DDX3X和DDX3Y生化性质存在差异，这一差异导致了DDX3X和DDX3Y在细胞内功能的不同。这为更好的理解和研究人类疾病的性别差异提供了一个新的视角和方向。

这项研究的通讯作者是宾夕法尼亚大学Perelman医学院的Kathy Liu教授，Kathy Liu实验室长期对性染色体编码的同源蛋白的功能差异及其相应的分子机制进行研究。目前Kathy Liu实验室招收博士后。

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https://doi.org/10.1016/j.molcel.2022.04.022

制版人：十一

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