2021年12月24日，国家蛋白质科学研究（上海）设施用户中国科学院分子植物科学卓越创新中心张余研究团队及其合作组王佳伟研究团队以及浙江大学冯钰团队合作在《科学》上发表题为“Pol IV and RDR2: A two-RNA-polymerase machine that produces double-stranded RNA”的研究论文，该研究首次解析了植物Pol IV的结构，揭示了植物Pol IV-RDR2两种RNA聚合酶组装成的独特复合物构造，并提出了Pol IV-RDR2以底物内部传递的机制实现双链DNA为模板合成双链RNA。 

研究背景 

转座子（transposon）在细菌、病毒以及真核生物的基因组中广泛分布。转座子类似内源性病毒，能够在宿主基因组中“复制和粘贴”自己的DNA，以达到其自我“繁殖”的目的。 

RNA导向的DNA甲基化（RdDM）途径是高等植物基因组甲基化的重要途径。在该途径中，植物独有的两个RNA聚合酶（Pol IV和Pol V）发挥了核心作用。 

高等植物中经典的RdDM途径通路 (1) 

Pol IV和Pol V作为真核生物的第四个和第五个多亚基RNA聚合酶，虽然植物Pol IV和Pol V于2005年被发现，然而其三维结构仍然未被报导，大大阻碍了Pol IV和Pol V的进一步深入研究。 

研究过程  

在该工作中，研究人员克服了低丰度超大蛋白质复合物的制备瓶颈，通过拟南芥的悬浮细胞体系纯化了内源的Pol IV-RDR2复合物，随后通过冷冻电镜单颗粒重构技术，解析了Pol IV-RDR2全酶和Pol IV-RDR2转录延伸复合物冷冻电镜结构，并结合生物化学和遗传学实验进一步阐明了Pol IV和RDR2协作的分子机制。 

Pol IV-RDR2全酶的复合物结构（左）以及Pol IV-RDR2 转录延伸复合物（右）的三维结构 

Pol IV-RDR2的三维结构以及二者高效合作合成双链RNA的机制 

这项工作首次揭示了真核生物第四个多亚基RNA聚合酶的三维构造，阐明了两种RNA聚合酶Pol IV和RDR2协作转录的独特分子机制，回答了RdDM途径中双链RNA如何合成的科学问题。这一研究结果拓展了真核生物RNA聚合酶结构和功能的多样性，加深了我们对植物表观遗传机制的理解。

设施保障与支持 

国家蛋白质科学研究（上海）设施电镜分析系统为该研究的Pol IV-RDR2, Pol IV-RDR2-DNA 两个蛋白复合物的冷冻制样和制样条件筛查提供了支持，为Pol IV–RDR2 bTEC的冷冻电镜数据收集给予了技术支持和机时保障。