NAR | 季雄团队揭示RNA聚合酶II磷酸化中间态的调控与功能

RNA聚合酶II（Pol II）是驱动真核生物基因转录的核心分子机器，其最大亚基RPB1的C端结构域（CTD）包含高度保守的磷酸化位点，在转录起始、延伸以及RNA加工过程中发挥关键调控作用。传统观点认为，Pol II主要以低磷酸化状态（II-A）和高磷酸化状态（II-O）两种状态存在，分别对应转录起始和延伸阶段。然而，在转录循环中，高度磷酸化的Pol II如何被精确地去磷酸化，以及该过程是否存在中间过渡状态，一直是领域内悬而未决的重要问题。此外，Pol II的磷酸化修饰与RNA剪接等加工事件紧密偶联，其去磷酸化如何协调转录与RNA加工，机制也尚不明确。

近日，北京大学生命科学学院季雄团队在Nucleic Acids Research发表了题为CTDP1 governs a Pol II phosphorylation intermediate and coordinates Mediator recruitment, transcription efficiency, and splicing的研究论文。本研究发现磷酸酶CTDP1调控Pol II磷酸化中间态（II-I）并协调Mediator复合体的染色质招募、Pol II转录效率以及RNA剪接的新机制。此前，该团队已利用蛋白质瞬时降解系统和多组学技术，系统解析了RNA聚合酶亚基的功能异质性，发现Pol II亚基RPB7可招募CTDP1，促进Pol II去磷酸化并维持RPB1蛋白稳定性，从而促进转录终止后的重新起始过程。

（一）发现CTDP1靶向Pol II磷酸化中间体II-I，揭示转录调控新角度

传统观点认为，Pol II主要存在两种磷酸化状态：低磷酸化的II-A和高磷酸化的II-O。季雄团队通过细胞组分分离结合蛋白免疫印迹实验，意外检测到一个电泳迁移率介于II-A和II-O之间的中间条带，并将其命名为中间体“II-I”。磷酸化位点解析显示，II-I富含Tyr1、Ser5和Ser7的磷酸化，而Ser2和Thr4磷酸化水平较低，并且该状态主要定位于细胞可溶组分而非染色质。进一步实验表明，CTDP1的磷酸酶活性可快速调节II-I丰度：表达酶活缺失突变体（D188/190E）时II-I水平显著上升，而该突变体被降解后II-I水平迅速回落。由此表明，II-I是一个受CTDP1动态调控的磷酸化中间体。

（二）CTDP1调控Mediator复合物招募，奠定转录起始基础

Mediator复合物是连接转录因子与Pol II的关键桥梁，参与转录前起始复合物的组装。该团队通过Pol II染色质免疫沉淀结合质谱分析（ChIP-MS）发现，CTDP1失活后，Mediator复合物与Pol II的相互作用及其在染色质上的结合水平显著减少。这表明CTDP1的去磷酸化活性对于Mediator的招募至关重要，为CTDP1参与转录起始调控提供了直接的分子机制。

（三）数学建模结合实验验证，揭示CTDP1调控转录效率与Pol II再循环

为了深入探究CTDP1对转录动态的影响，研究人员结合DRB释放实验和pSer2 ChIP-seq技术，发现CTDP1缺失后Pol II的延伸速率反而增加。基于该实验数据，研究团队建立了描述Pol II转录循环的数学模型，预测CTDP1缺失会导致能够再循环进入新一轮转录的功能性Pol II逐渐减少。这一预测得到体外转录再循环实验的验证——CTDP1突变体显著降低了Pol II的再循环活性。

（四）CTDP1调控剪接因子磷酸化，介导全局RNA剪接

Pol II的CTD磷酸化状态与共转录RNA加工紧密偶联。该研究通过CTDP1互作蛋白质组和全细胞磷酸化蛋白质组学的联合分析，发现CTDP1不仅与Pol II相互作用，还与RNA剪接机器等多种RNA加工因子广泛结合。磷酸化蛋白质组学数据显示，CTDP1失活后，多个剪接因子（如RBM14、YTDC1、BCLF1）的磷酸化水平显著升高。体外去磷酸化实验进一步证实，CTDP1可直接作用于这些剪接因子进行去磷酸化。同时，时间序列RNA-seq分析表明，CTDP1失活导致全局内含子保留事件和外显子跳跃事件增加。

（五）总结与展望

该研究系统揭示了磷酸酶CTDP1在调控Pol II中间体去磷酸化、Mediator招募、转录效率以及RNA剪接中的多重功能，深化了对Pol II转录循环动态调控的理解，并为转录与RNA加工协同调控提供了新的磷酸酶视角。最后也提出了CTDP1酶活突变通过降低Pol II去磷酸化速率，从而造成磷酸化中间态堆积的潜在机制模型。CTDP1对细胞周期进程和细胞活力的影响，提示其在发育和疾病中可能具有重要的生物学功能，为未来的相关研究开辟了新的方向。

图2. CTDP1失活导致Pol II磷酸化状态异常，并影响转录与RNA加工。

图3. 解释 Pol II （II-I） 磷酸化状态积累的动力学捕获模型。生理条件下，快速的激酶和磷酸酶活性驱动 II-A、II-I 和 II-O 状态之间的动态循环，使 II-I 形式维持在一个较低且短暂的稳态水平。抑制 CTDP1 或 Integrator-PP2A 复合物会严重减慢去磷酸化过程。与此同时，DRB 处理阻断了正向激酶通路，使 II-I 向超磷酸化 II-O 状态的转变停止。在这一动力学瓶颈中——正向进程和反向清除均受到阻碍——II-I 中间态因此被动地捕获并逐渐积累。

北京大学季雄研究员为该论文的通讯作者。生命科学学院博士生郑浩楠（已毕业）、季德洵、隋远涵和许杞钦（已毕业）为该论文的共同第一作者。汕头大学医学院李恩民教授为共同通讯作者。本研究得到北大-清华生命科学联合中心、核糖核酸北京研究中心（BEACON）、基因功能研究与操控全国重点实验室等机构的支持。北京大学凤凰工程中心的多个仪器平台对该研究提供了重要帮助。

原文链接：https://academic.oup.com/nar/article/54/14/gkag772/8753006?login=false

季雄研究组长期从事RNA聚合酶非经典调控功能研究。主要集中在RNA聚合酶自身的分子机理、疾病与治疗等方向，近年成果发表在Cell（2023）、Molecular Cell（2022，2023）、Nature Communications（2022，2025）、Science Advances（2025）、Nucleic Acids Research (2023，2024，2025，2026)、Genome Biology（2020，2022）、Cell Reports (2023)、Cell Discovery（2020）等杂志上，为选择性基因表达调控提供新的假说。欢迎感兴趣的博士后和研究生联系并申请加入。

制版人：十一

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（*排名不分先后）

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