轉座子最早由美國遺傳學家Barbara McClintock在玉米基因組中發現，它在高等生物基因組中廣泛存在。
本文圖檔均由中國科學院分子植物科學卓越創新中心提供
轉座子能夠在宿主基因組中“複制和粘貼”自己的DNA，以達到其自我“繁殖”的目的，這一活動會對基因組的穩定性構成嚴重威脅，高等生物通過給轉座子DNA打上一個甲基的化學烙印，抑制轉座子的活動，進而維持基因組的穩定性。
對此，植物演化出了一條RNA導向的DNA甲基化途徑（植物RdDM途徑）來完成DNA的甲基化工作。在該途徑中，兩種執行不同功能的蛋白質機器Pol IV和RDR2，它們協作生産一段雙鍊的向導RNA分子，随後該向導RNA能夠幫助植物細胞精準地給轉座子DNA加上甲基化烙印。雖然Pol IV和RDR2已經被發現多年，然而這兩種轉錄機器的内部構造和如何協同工作合成雙鍊RNA尚未闡明。
Pol IV-RDR2的複合物三維結構動圖
Pol IV是植物細胞核編碼的第四種RNA聚合酶，與真核生物的Pol I, Pol II和Pol III相比，其基因組轉錄區域、互相作用轉錄因子、工作方式、以及生理功能都有顯著差別。近30年來，Pol I, Pol II和Pol III的三維結構陸續得到解析，然而Pol IV的三維結構和工作方式仍然尚未得到解答。
研究人員正在工作
2021年12月24日，中國科學院分子植物科學卓越創新中心張餘研究團隊和王佳偉研究團隊以及浙江大學馮钰團隊合作在《科學》以Research Article形式發表題為“Pol IV and RDR2: A two-RNA-polymerase machine that produces double-stranded RNA”的研究論文，該研究解析了Pol IV-RDR2蛋白複合物的三維結構，并提出了Pol IV-RDR2以雙鍊DNA為模闆合成雙鍊RNA的獨特分子機制。
破解RNA聚合酶的工作機制難度何在？張餘透露，一方面難在獲得高品質的蛋白質樣品，因為植物體内有兩萬種蛋白質，而Pol IV的豐度極低，另一方面必須解析它的三維結構。
張餘為此煩惱不已，一次和研究員王佳偉食堂就餐中的讨論，為解開這個難題帶來了轉機。通過跨學科合作，他們實作了方法創新，即“建構植物懸浮細胞系純化蛋白”，在植物細胞基因組中穩定整合Pol IV複合物其中一個亞基，該Pol IV亞基帶有蛋白純化标簽，其能夠與其他亞基組裝成複合物，再通過大規模培養懸浮細胞，純化獲得Pol IV的蛋白樣品。“而且植物培養液相當便宜，在研究成本投入上也具備可操作性。”王佳偉透露。
通過這一方法創新，研究團隊獲得了高品質的Pol IV-RDR2複合物蛋白樣品，并且解析了複合物的三維結構，該三維結構顯示Pol IV和RDR2很像兩個分管不同RNA合成工作的獨立工廠中的房間，它們很聰明地合并在一起，并在兩個原本獨立的工廠中的房間之間建造了一個内部通道。
Pol IV合成工廠中的房間的工作是以雙鍊DNA為模闆合成單鍊RNA，合成出的單鍊RNA産物就可以通過内部通道直接傳送到RDR2的合成工廠中的房間，進而RDR2能夠直接以單鍊RNA為模闆，合成雙鍊RNA。
據此，研究人員提出蛋白質機器Pol IV- RDR2複合物就像一個高效合成雙鍊RNA的工廠，以雙鍊DNA為模闆，在蛋白機器内部傳遞單鍊RNA中間産物，連續高效地合成雙鍊RNA。
該項研究成功解析了真核生物第四個RNA聚合酶的結構，報導了雙RNA聚合酶複合物的獨特構造和協同工作機制，提出了轉錄蛋白質機器的新型工作模式。該研究成果是分子生物學和植物科學基礎前沿領域的一項重要突進展。