南科大郭红卫团队在Nature刊文报道22nt siRNA重要生物学功能

2020年4月29日，南方科技大学生物系教授郭红卫课题组在《自然》（Nature）杂志发表了以“Plant 22-nt siRNAs mediate translational repression and stress adaptation”为题的研究成果。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。

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的种类和形式极为多样，新型肺炎冠状病毒（COVID-19）就是一种RNA病毒。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mRNA或非编码RNA（ncRNA）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。

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。

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) 会识别并切割正常功能的mRNAs，导致破坏性的内源基因沉默，从而引发一系列的发育和生长缺陷。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)，导致更为严重的生长发育缺陷。进一步遗传学和高通量小RNA测序分析发现，这些22nt siRNA的产生依赖于RNA聚合酶6（RDR6）和DCL2 （图1a, 1b）。

该研究进一步发现，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。进一步翻译组学研究发现，缺氮条件下植物总体翻译水平亦降低。基于以上证据，研究者提出一种植物响应缺氮胁迫的机制，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。植物通过这种降低蛋白翻译效率，减少极端营养缺失条件下能量消耗的方式，暂时抑制生长状态，同时激活自身胁迫反应，保证自身生存，也可谓是一种智慧。研究还发现，NIA1/2的翻译调控机制可能参与植物对其它环境胁迫的响应，例如植物胁迫激素脱落酸（Abscisic acid, ABA）和高浓度盐处理均调控NIA1/2 22nt siRNA的产生及其蛋白水平，暗示NIA1/2可能作为植物体内关键的调控节点，协调和平衡植物正常生长发育和胁迫响应。总而言之，该研究不仅揭示了22nt siRNA介导的翻译抑制，还发现了一种植物响应外界环境胁迫的新机制。

郭红卫课题组此次在Nature上发表的研究结果，揭示了植物中22nt siRNA可以在特定的RNA降解缺失情况下产生并大量扩增，并通过抑制靶标mRNA的翻译这一新机制发挥重要生物学功能。此前，该课题组在Science杂志上发表了在细胞质双向RNA降解缺失时大量21nt siRNA产生并剪切mRNA的重要工作。至此，郭红卫课题组系统建立了植物特定长度的内源siRNA 的产生、作用机制以及生物学功能的模型，在RNA降解和RNA干扰关联机制这一重要的前沿研究领域建立了国际领先的地位和优势。

南方科技大学为该论文第一单位，郭红卫为论文通讯作者。访问学生吴辉辉博士（北京大学）和研究助理教授李博生为该论文共同第一作者。郭红卫实验室成员潘亚婕、唐贤礼、令狐黔艳、刘跃林、盛世欣、张新岩以及日本东京大学教授Iwakawa，北京林业大学教授夏新莉、东北林业大学教授唐中华、南方科技大学副教授翟继先及其实验室成员冯丽和张洪为该论文共同作者并为研究做出重要贡献。该工作得到了国家自然科学基金、科技部国家重点研发计划、广东省创新创业团队基金和深圳市科创委基金的大力支持。

郭红卫

郭红卫1992年本科毕业于南开大学生物系，1995年硕士毕业于北京大学生科院，2001年博士毕业于美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）分子细胞发育系，同年进入Salk Institute从事博士后研究，2005年回国任北京大学生命科学学院教授，2016年加入南方科技大学生物系任讲席教授，及南科大-北大植物与食品研究所所长，2018年起兼任生物系副主任。郭红卫教授为生物系植物生物学学科带头人，是目前国际上植物激素研究领域和植物衰老领域中最具影响力的学者之一。他长期致力于乙烯信号转导的机理研究和植物小RNA作用机制的研究，迄今已在国际著名学术期刊以通讯作者或第一作者发表论文50余篇，包括3篇Science、2篇Cell、1篇Nature、7篇Plant Cell、5篇PNAS、4篇NAR、3篇Cell Research等，先后承担各级科研项目10余项，获批发明专利8项。他先后担任Plant Cell、Mol Plant等植物学顶级杂志编委，荣获教育部特聘专家、国家杰出青年科学基金、国家特支计划、珠江人才科技创新领军人才、谈家桢生命科学创新奖、中国青年科技奖等荣誉。

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https://www.nature.com/articles/s41586-020-2231-y

https://science.sciencemag.org/content/348/6230/120

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