第一作者：Bastiaanssen C., Ugarte P., Kim K., Finocchio G., 冯彦磊

通讯作者：吴法柏, Chirlmin Joo, Daan C. Swarts

通讯单位：宁波东方理工大学（暂名）、荷兰代尔夫特理工大学、荷兰瓦格宁根大学

论文DOI：10.1038/s41467-024-49452-1

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该研究发现了一个来源于古菌的Argonaute蛋白拥有RNA沉默功能，揭示了真核生物RNA干扰机制的原核生物起源和早期分化。该蛋白（HrAgo1）来源于一个名为Ca. Harpocratesius repetitus的深海古菌基因组（Harpocrates是希腊神话中的沉默之神）。该古菌为作者于2022年首次发现并命名（见Wu F et al Nature Microbiology 2022 https://doi.org/10.1038/s41564-021-01039-y），是阿斯加德古菌的一种，而阿斯加德古菌是至今发现的与真核生物最为相近的原核生物分支。

背景介绍

RNA沉默（或RNA干扰）机制一直被认为是真核生物独有的通路，是许多真核生物进行大规模基因沉默和抵抗病毒与转座子的关键机制。Argonaute蛋白是真核生物RNA沉默的核心蛋白，通过对短链RNA与目标RNA进行序列配对而对后者进行剪切。虽然Argonaute的同源蛋白在原核生物中已很早就被发现，但这些同源蛋白的底物与真核生物的Argonaute有着明显区别，通常以DNA为导链或靶标。此外，如Dicer等RNA导链的产生机制也未在原核生物中被发现。

本文亮点

1. 在原核的古菌中发现了一类新蛋白HrAgo1，并证明其可执行真核生物RNA沉默的功能。

2. 对HrAgo1进行了结构解析，并发现其结构介于真核的AGO和PIWI之间。

3. HrAgo1可以在人类细胞系中高效地行使RNA沉默功能。

图文解析

在真核生物中，Argonaute可分为两大类：AGO和PIWI。AGO使用siRNA和miRNA在转录后水平调控基因表达，而PIWI使用 piRNA 抑制转座子。作者发现通过构建Argonaute基因的系统发育关系，发现了存在于阿斯加德古菌Ca. Harpocratesius repetitus中的一类新型Argonaute蛋白，HrAgo1。它在系统树上位于PIWI的根部，因此推测其结构和功能可能保留了PIWI进化早期的特性。

图1. 阿斯加德古菌Argonaute基因多样性及位于PIWI分支的HrAgo1。a. Argonaute基因的ML进化树以及新发现的HrAgo1位于PIWI分支基部。b. 原核生物中各类群含有Argonaute蛋白的物种占比。c. 洛基古菌Ca. Harpocratesius repetitus中发现一大一小两个Argonaute蛋白。

作者通过实验验证了HrAgo1可以像真核Argonaute一样进行单链RNA引导的单链RNA切割，但对于单链DNA无效。

图2. HrAgo1可以介导由RNA引导的RNA切割。a. HrAgo1可以与小 RNA 结合。b. 与HrAgo1互作的小RNA的长度分布。c. 与HrAgo1互作的小RNA在5’端存在尿嘧啶偏好。d. 用于体外切割测定的向导寡核苷酸和靶标寡核苷酸序列。e. HrAgo1使用ssRNA向导切割ssRNA靶标，但对于ssDNA无效。

作者进一步通过CryoEM对HrAgo1蛋白进行了结构解析，发现相比于原核，其与真核Argonaute蛋白更为相似，并且表现出了介于真核AGO和PIWI之间的结构特征：它组织导链RNA的方式类似于AGO，但也存在一些与PIWI相似的特性影响其对靶标RNA结合。因此推测，AGO和PIWI的共同祖先可能拥有类似的特性，而在后期的进化中进行了催化特性以及功能上的分化。令人惊讶的是，HrAgo1在9到71 °C的温度范围内都可以进行高效率的切割，表现出了独特的应用潜力。

图3. HrAgo1与引导RNA结合的分子结构。

图4. HrAgo1表现出独特的向导组织与靶标结合的混合模式。

鉴于HrAgo1与真核生物相似的结构和功能，尤其是在结合特征上类似于人类的hAgo2，作者进一步在人类的细胞系中检验了HrAgo1的RNA沉默功能。结果表明，在人类ΔAGO1/2/3细胞系中，HrAgo1可以有效地替代人类hAgo2 蛋白，且效率无显著差别。

图5. HrAgo1可以在人类细胞中行使RNA沉默功能。

总结与展望

综上所述，本文在阿斯加德古菌中发现了一类新型的Argonaute蛋白，并证明其可执行真核生物RNA沉默的功能。通过结构解析也证实其与真核Argonaute更为相似，并且表现出了介于AGO和PIWI之间的结构特征。在人类ΔAGO1/2/3细胞系中，HrAgo1可以有效地替代人类Ago2 蛋白，并像 hAgo2一样抑制基因。HrAgo1的出现表明，真核生RNA沉默的机制可能继承自他们的阿斯加德古菌祖先，这为理解AGO和PIWI蛋白在真核生物中的进化历史提供了重要线索。

课题组介绍

宁波东方理工大学（暂名）理学部吴法柏副教授，在荷兰代尔夫特理工大学Kavli纳米研究院获得博士（获cum laude Ph.D 和 Kavli研究院双年度最佳博士论文奖），美国加州理工大学进修博士后（获荷兰Rubicon基金和国际人类前进计划HFSP长期基金资助）。近年来在微生物微流控、细胞结构自组装、基因组进化、病毒与免疫、海洋碳汇等方面以第一或通讯作者在Nature Nanotechnology（封面）、Nature Microbiology（2篇，1封面）、Nature Ecology & Evolution 、Nature Communications（2篇）等国际知名期刊发表研究论文。近期获得国际基因组学会海洋新锐奖、国际自然科学基金委面上项目、以及国家级人才项目资助。目前研究领域包括古菌基因组学与细胞生物学研究、真核生物起源的分子进化机制、原核与真核生物免疫系统进化、微生物固氮的系统生物学与合成生物学研究等。该研究是多个团队共同努力的结果，展示了跨学科交流的重要性和潜力。吴法柏团队（www.microwulab.com）长期招聘拥有定量生物学、合成生物学、计算生物学、生物化学与遗传学、微流控技术、图像分析、自动化技术等相关背景的青年科学家加入团队作为研究助理教授、博士后和科研助理。博士招生时间见宁波东方理工大学（暂名）网站（www.eitech.edu.cn）。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-49452-1