生物@南科大郭红卫团队报道22nt siRNA重要生物学功能 |遗传|植物|拟南芥|

作者丨小柯
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24ntsiRNA ，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21ntsiRNA ，介导靶标RNA的切割。
然而，关于DCL2切割后产生的22ntsiRNA知之甚少，尤其植物内源产生的22ntsiRNA的种类、功能、及作用机制尚不清楚。
北京时间2020年4月29日晚，南方科技大学郭红卫课题组在Nature杂志发表了以“Plant22-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22ntsiRNA ，揭示了拟南芥22nt小RNA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（aberrantmRNA），然后通过经典的RNAi途径产生大量内源21ntsiRNA 。
这类21ntsiRNA (被命名为ct-siRNA or coding transcript-derivedsiRNA) 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ein5dcl4和ski2 dcl4双突变体中,图1a,1b），内源基因产生大量22ntsiRNA (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22ntsiRNA的产生依赖于RNA依赖的RNA聚合酶6（RDR6）和DCL2（图1a,1b）。

本文插图
图1 ein5 dcl4和ski2dcl4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22ntsiRNA约占总22ntsiRNA的一半。
然而，研究人员发现大部分产生22ntsiRNA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21ntct-siRNA 的作用明显不同，因此研究人员猜测22ntsiRNA极可能有不同于21ntsiRNA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， 22ntsiRNA主要通过结合AGO1蛋白，介导靶标mRNA的翻译抑制。
此外， 22ntsiRNA结合AGO1后，通过RDR6的作用诱发次级小RNA的产生，导致22ntsiRNA的大量扩增。
该研究首次揭示了植物22ntsiRNA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。

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图2 22ntsiRNA参与氮素胁迫响应及其工作模型。
该研究进一步探索了22ntsiRNA在自然条件下的生物学功能。