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省科学院生物工程所揭示小分子RNA合成代谢调控植物发育的作用机制

来源: 时间:2020-11-18

  微小RNA(miRNA)是一类长度约为20-24碱基的内源小分子RNA,在动植物生长发育、细胞命运决定和转换、以及环境应答等生物学过程中发挥着十分重要的作用。miRNA前体基因(MIR),经过DNA聚合酶II (Pol II)转录形成茎区不完全配对的具有发夹结构miRNA初级转录本(pri-miRNA),该结构可被核酸内切酶DCL1切割,之后释放出成熟的双链miRNA/miRNA*。与动物不同的是植物 pri-miRNA的茎环区长度差异更大(从60 nt到超过500 nt,动物中一般为~70 nt),茎环结构更为复杂性。因此植物除了经典的基部到环的加工方式,不少miRNA以环到基部的切割方式成熟,有些长的pri-miRNA还存在两次以上的连续切割。 

  外切体是生物体最主要的负责各类RNA降解的蛋白质机器,在rRNA加工成熟、正常RNA周转以及非正常RNA的及时清除等细胞基本生命活动过程中发挥着关键作用。核心复合物通过与不同辅助因子互作参与不同RNA底物的识别和降解。RNA解旋酶SKI2、MTR4以及HEN2分别是胞质外切体、核仁外切体与核质外切体的重要辅助成员。 

  近日,广东省科学院生物工程研究所与复旦大学遗传工程国家重点实验室任国栋研究员团队合作,在国际权威综合期刊PNAS(IF5y=9.516)发表了题为“Hyponastic Leaves 1 protects pri-miRNAs from nuclear exosome attack”的研究论文(广东省科学院生物工程研究所生物育种研究室高帅博士为第一作者)。该研究通过正向遗传学筛选hyl1-2的表型抑制子,结合图位克隆分离鉴定到核质外切体的另一辅助因子SOP1。在hyl1-2中引入核质外切体辅助因子HEN2的突变,同样可以显著抑制hyl1-2的发育缺陷,表明SOP1和HEN2可能共同参与了外切体途径介导的miRNA合成代谢调控(图1A)。miRNA及pri-miRNA的联合分析发现,hyl1 sop1 双突中加工方向为环到基部的pri-miRNA较hyl1积累更多,其对应的成熟miRNA回复也更为显著,表明SOP1选择性参与hyl1突变体中加工方向为环到基部的pri-miRNA降解(图1B 和 C)。更为有意思的是,hyl1 hen2双突变体中几乎所有的pri-miRNA均显著累积,但只有环到基部成熟的miRNA得到了回复(图1B和 C)。该研究结果表明在HYL1发生缺失的情况下,环区到基部加工的pri-miRNA的超累积可以进一步促进miRNA的生成,而基部到环区加工的pri-miRNA则不能。互作分析发现,加工复合体成员SE能够与HEN2相互作用,猜测可能在招募外切体中发挥功能。 

  综上所述,该研究揭示了拟南芥双链RNA结合蛋白 HYL1在 miRNA加工成熟过程中保护底物分子免受核酸外切体(exosome)攻击的新机制,并发现HYL1可能在DCL1介导的由环区到基部和基部到环区成熟的pri-miRNAs 加工过程中发挥不同的作用,阐释了外切体在pri-miRNA生物发生中的监控作用以及加工复合体核心成员HYL1的保护功能,由此也拓展了我们对于加工过程中pri-miRNA质量控制机制的认识。此外,该研究还系统鉴定了受HEN2、SOP1调控的靶标基因,这些基因可以作为核质外切体功能的标计基因。 

  图1. HYL1拮抗核酸外切体保护pri-miRNA加工顺利进行。 

  (省科学院生物工程所 高帅/供稿) 

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