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北大发现植物调控基因沉默新机制

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来源: 作者: 2019-05-17 01:23:41

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2015年4月3日, 北京大学生命科学学院郭红卫研究组在Science杂志发表题为“Suppression of endogenous gene silencing by bidirectional cytoplasmic RNA decay in Arabidopsis”的研究成果,揭示了植物内源基因,尤其是蛋白编码基因,如何避免遭受细胞内重要的免疫机制——转录后基因沉默系统的攻击。

在丰富多彩的生命活动中,基因表达和基因沉默共同构建出复杂的基因表达调控络。为了抵抗病毒以及其它外源基因的入侵,植物演化出一套基于核酸序列的免疫系统,即转录后基因沉默机制,来识别并及时清除病毒或外源基因的表达产物,导致对病原体的抗性。转录后基因沉默的现象最早在植物中发现,其机理随着线虫中RNA干扰(RNAi)效应的发现被逐渐揭开。在植物和无脊椎动物中,转录后基因沉默也可以影响细胞内源基因的表达,因此,生物体如何在利用此机制抵抗病毒和外源核酸入侵的同时,保持内源基因表达的稳定性是一个尚未回答的问题。

郭红卫课题组利用一个拟南芥转基因株系作为背景,通过正向遗传学的策略成功挑选到多个发生转基因沉默的抑制子突变体。克隆基因发现三个突变基因均为细胞质RNA降解途径的必需组分(5’ -3’和3’-5’降解途径),表明细胞质RNA降解途径抑制转基因沉默。两条RNA降解途径在真核生物中非常保守,在拟南芥中,阻断一条途径植物生长发育基本正常,表明这两条RNA降解途径在植物发育中存今冬流行黑色呢子外套时尚优雅美翻天
在功能冗余。当两条途径被同时缺失突变后,植物表现出严重的发育缺陷,包括发育延迟,分生组织缺陷,不育等,极端情况下导致胚胎死亡。与此对应,植物在全基因组水平的基因表达情况出现明显紊乱。有意思的是,阻断RNAi途径后,两条RNA降解途径突变体所表现的发育缺点几乎完全得到改正,同时75%以上的基因表达紊乱可以得到恢复。利用小RNA测序方法发现,两条RNA降解途径的缺失致使一系列蛋白编码基因(441个)产生了高丰度的长度为核苷酸的次级小干扰RNA(被命名为ct-siRNA),这类小干扰RNA的产生依赖RDR6-DCL4/2途径,其功能部分依赖AGO1。进一步研究表明,至少一部分小干扰RNA对其同源基因的表达产生抑制作用,进而致使多方面的发育缺陷。

该论文揭示了植物内源基因具有潜伏的产生转录后基因沉默的风险,并发现了抑制内源转录后基因沉默的双保险模块,即功能冗余的两条细胞质RNA降解途径。有末端缺陷的RNA份子一旦产生,首先被RNA降解途径清除,从而避免启动转录后基因沉默。因此,植物细胞中产生转录后基因沉默具有较高的阈值。即使在有双保险的情况下,外源基因及病毒基因产生的大量缺点RNA难以被充分清除,容易启动小RNA介导的转录后基因沉默,激活植物的免疫。有意思的是,在RNA降解缺陷的突变体中发生基因沉默的基因中包含多个microRNA的靶基银泰系开始撤退 套现鄂武商A近亿元
因,这一发现提示,由于体内microRNA对其靶基因的精细调控(常常造成信使RNA剪切)伴随产生有缺点的RNA分子,RNA降解途径可以及时清除这些缺陷RNA分子,从而避免转录后基因沉默的产生,因此RNA降解途径对microRNA精细调控络的维持具有重要意义。这项研究显示,虽然基于RNAi的免疫系统对植物和无脊椎动物必不可少,但它是一把双刃剑,如果失控,会严重危及本身的基因表达,产生类似自我免疫的后果。因此,在脊椎动物中,基于蛋白的免疫系统进化出来,逐步弱化和取代了这种高风险的基于核酸的免疫系统。

生命科学学院郭红卫教授为该论文通讯作者,张20个月宝宝的成长里程碑
新岩博士为第一作者,陆剑研究员为共同作者。该工作得到了北大-清华生命科学联合中心、科技部973项目、国家自然科学基金委和111计划的经费支持。

阻断RNAi途径可回复两条RNA降解途径突变体表现出的发育缺陷

拟南芥细胞质内两条RNA降解途径抑制内源基因转录后基因沉默的模型

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