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南科大郭红卫团队报道22nt siRNA重要生物学功能

发布日期:2020-05-02 浏览次数:

RNA是生命遗传信息传递的核心载质,遗传信息从DNA到RNA到蛋白质构成了分子生物学的中心法则。RNA干扰是生物免疫病毒入侵的重要机制,RNA干扰通过长度为20-24个核苷酸单位(nucleotide, nt)的小RNA来调控靶基因RNA。小RNA,包括miRNA (microRNA)和siRNA (small interfering RNA),对于动植物的生长发育和抗性至关重要。

 

植物RNA在Dicer-like(DCL)蛋白的作用下,切割形成21-24nt长度的小RNA, 小RNA的长度决定了其发挥生物功能所采用的机制。

 

模式植物拟南芥基因组一共编码四个DCL蛋白(DCL1-4),其中DCL1切割后产生 21-22nt miRNA,介导靶标mRNA切割或翻译抑制:

 

DCL3切割后产生24nt siRNA,介导异染色质区域DNA甲基化,维持基因组稳定;

 

DCL4 切割后产生21nt siRNA,介导靶标RNA的切割;

 

然而,关于DCL2切割后产生的22nt siRNA知之甚少,尤其植物内源产生的22nt siRNA的种类、功能、及作用机制尚不清楚。

 

北京时间2020429日晚,南方科技大学郭红卫课题组在Nature杂志发表了以“Plant 22-nt siRNAs mediate translational repression and stress adaptation”为题的研究论文。

 

该论文通过在特定突变体中鉴定到大量植物内源22nt siRNA,揭示了拟南芥22ntRNA介导翻译抑制与胁迫适应性的重要生物学功能,是植物小RNA领域的一项突破性研究成果。

 

2015年,郭红卫课题组在Science杂志上发表文章指出,由EIN5和SKI2分别介导的植物细胞质5’-3’和3’-5’ RNA降解途径对于防止破坏性的内源基因沉默至关重要。

 

当缺失EIN5和SKI2基因时,两个细胞质RNA降解途径同时受阻,植物会积累众多非正常的mRNA(aberrant mRNA),然后通过经典的RNAi途径产生大量内源21nt siRNA。

 

这类21nt siRNA (被命名为ct-siRNA or coding transcript-derived siRNA) 可识别并切割正常功能的mRNAs,导致破坏性的内源基因沉默,从而引发一系列的生长和发育缺陷。

 

而此次发表在Nature上的研究结果进一步发现,当植物缺失其中一条RNA降解途径,并同时缺失DCL4时(即在ein5 dcl4和ski2 dcl4双突变体中, 图1a, 1b),内源基因产生大量22nt siRNA (图1c),并导致更为严重的生长发育缺陷。遗传学和高通量小RNA测序分析发现,这些22nt siRNA的产生依赖于RNA依赖的RNA聚合酶6(RDR6)和DCL2 (图1a, 1b)。

 

图1.  ein5 dcl4和ski2 dcl4双突变体中产生大量22nt siRNA,并介导翻译抑制。

 

该研究发现,两个参与氮代谢的硝酸还原酶基因(NIA1和NIA2)产生的22nt siRNA约占总22nt siRNA的一半。然而,研究人员发现大部分产生22nt siRNA的基因,包括NIA1和NIA2,其表达量在双突变体中与野生型相比并未明显降低 (图1d)。

 

这一发现与21nt ct-siRNA 的作用明显不同,因此研究人员猜测22nt siRNA极可能有不同于21nt siRNA的作用机理和生物学功能。

 

通过蛋白检测、核糖体结合、遗传关系分析和体外RNA切割和翻译抑制等一系列实验发现,22nt siRNA主要通过结合AGO1蛋白,介导靶标mRNA的翻译抑制。此外,22nt siRNA结合AGO1后,通过RDR6的作用诱发次级小RNA的产生,导致22nt siRNA的大量扩增。

 

该研究首次揭示了植物22nt siRNA的翻译抑制作用,丰富了对于小RNA长度与其功能关系的理解。

图2: 22nt siRNA参与氮素胁迫响应及其工作模型。

 

该研究进一步探索了22nt siRNA在自然条件下的生物学功能。研究人员发现当植物在缺乏氮素营养时,表现出生长发育抑制表型,并伴随产生大量内源22nt siRNA,包括来自于NIA1和NIA2基因的22nt siRNA,且NIA1和NIA2蛋白含量和转录水平也显著降低。

 

翻译组学研究发现,缺氮条件下植物总体翻译水平亦降低。基于以上证据,研究人员提出一种植物响应缺氮胁迫的新机制,即在极端缺氮条件下,植物通过降低NIA1/2转录和增加NIA1/2 22nt siRNA,抑制NIA1/2蛋白合成。NIA1/2负责将硝酸还原为亚硝酸,进一步被亚硝酸还原酶还原为氨根离子,作为氨基酸合成的重要原料,因此NIA1/2蛋白的缺失会减少氨的供应和氨基酸的积累,降低蛋白质翻译效率。

 

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