南方科技大学郭红卫发现22-nt siRNA的生物学功能及产生机制

小干扰RNA(siRNA)对于真核生物的正常发育和免疫力至关重要。植物产生的siRNA的长度为21、22或24个核苷酸。21和24个核苷酸分别介导信使RNA的切割和DNA甲基化,但22个核苷酸的siRNA的生物学功能仍然未知。

2020年4月29日,南方科技大学郭红卫团队在Nature 在线发表题为“Plant 22-nt siRNAs mediate translational repression and stress adaptation”的研究论文,该研究报告鉴定和表征一组由植物中的DICER-LIKE 2(DCL2)蛋白产生的内源性22个核苷酸的siRNA。当胞质RNA衰变和DCL4不足时,由此形成的22个核苷酸的siRNA的大量积累会引起多效性生长障碍,包括严重的侏儒症,分生组织缺陷和色素沉着。

值得注意的是,编码硝酸盐还原酶的两个基因NIA1和NIA2产生了将近一半的22个核苷酸的siRNA。产生22个核苷酸的siRNA会触发基因沉默的扩增,并导致基因特异性和整体性的翻译抑制。此外,这些22个核苷酸的siRNA优先在环境胁迫下积累,尤其是那些源自NIA1 / 2的siRNA,它们起着抑制翻译,抑制植物生长和增强胁迫反应的作用。因此,该研究揭示了22个核苷酸的siRNA的独特特性,并揭示了它们在植物适应环境胁迫中的重要性。

南方科技大学郭红卫发现22-nt siRNA的生物学功能及产生机制

小RNA(sRNA)由不同的蛋白质产生,具有不同的长度,并通过不同的机制对细胞产生作用。通常,由Dicer家族的蛋白质将由依赖RNA的RNA聚合酶和发夹微RNA(miRNA)的前体产生的细胞双链RNA(dsRNA)的前体裂解为20-24核苷酸(nt)sRNA双链体。sRNA双链体的一条链被加载到Argonaute(AGO)蛋白中,形成RNA诱导的沉默复合物(RISC)。

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破坏细胞质RNA衰减和DCL4会触发22nt siRNA的大量生产,并导致生长障碍(图源自Nature )

拟南芥基因组包含四个Dicer样(DCL)蛋白,DCL1至DCL4,具有多种作用。DCL1是miRNA生物合成所需的主要DCL蛋白,miRNA靶向同源RNA进行切割和/或翻译抑制。DCL3将dsRNA前体裂解为24-nt siRNA,后者参与RNA定向的DNA甲基化。DCL4是产生21个核苷酸的siRNA所需的,指导mRNA的切割。人们认为DCL2调节病毒22-nt siRNA的生物发生。

尽管21-和24-nt siRNA的作用已广为人知,但内源性22-nt siRNA的缺乏极大地限制了它们的研究。在这里,该研究通过使用产生大量此类分子的遗传突变体,探索了22-nt siRNA的生物学作用和调控机制。

南方科技大学郭红卫发现22-nt siRNA的生物学功能及产生机制

22-nt siRNA抑制mRNA翻译(图源自Nature )

在这里该研究鉴定和表征一组由植物中的DICER-LIKE 2(DCL2)蛋白产生的内源性22个核苷酸的siRNA。当胞质RNA衰变和DCL4不足时,由此形成的22个核苷酸的siRNA的大量积累会引起多效性生长障碍,包括严重的侏儒症,分生组织缺陷和色素沉着。

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22nt siRNA抑制翻译模型及其在植物逆境适应中的作用(图源自Nature )

值得注意的是,编码硝酸盐还原酶的两个基因NIA1和NIA2产生了将近一半的22个核苷酸的siRNA。产生22个核苷酸的siRNA会触发基因沉默的扩增,并导致基因特异性和整体性的翻译抑制。此外,这些22个核苷酸的siRNA优先在环境胁迫下积累,尤其是那些源自NIA1 / 2的siRNA,它们起着抑制翻译,抑制植物生长和增强胁迫反应的作用。因此,该研究揭示了22个核苷酸的siRNA的独特特性,并揭示了它们在植物适应环境胁迫中的重要性。

参考消息:

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2231-y

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