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生命学院戚益军课题组发现tRNA衍生的小RNA在植物抗真菌防卫反应中的功能

2021-10-25 17:57:28

转运RNA(tRNA)是一种由76-90个核苷酸(nt)组成的RNA分子,它的经典功能是在蛋白质翻译过程中负责将mRNA序列转译为氨基酸序列。tRNA具有三叶草形的二级结构,这种结构由氨基酸接受茎、D(二氢尿苷酸)茎环、反密码子茎环和TψC茎环(ψ代表假尿苷酸)组成。近年来的研究发现,在人和动植物中,tRNAs可被切割加工,产生多种小RNAs。当切割位于反密码子环时,产生5′和3′ tRNA半分子(tRNA halves);当切割位于TψC环时,产生3′ tRNA衍生的小RNA(3′ tsRNA);而当切割发生在D环、D茎或5′反密码子茎时,则产生5′ tRNA衍生的小RNA (5′ tsRNA)。

在植物中,5′ tRNA half和5′ tsRNA是丰度最高的两类tRNA衍生小RNAs,但其产生机制以及生物学功能尚不明确。银河国际app手机版下载 - 最新版APP Store戚益军课题组利用新开发的小RNA测序方法,系统分析了模式植物拟南芥中5′ tRNA halves和5′ tsRNAs,并发现5′ tsR-Ala通过调节靶基因CYP71A13的表达和植保素的合成,从而调控植物抗真菌防卫反应。

相关研究论文“一个5′ tRNA-Ala衍生的小RNA调控植物抗真菌防卫反应” (A 5′ tRNA-Ala-derived small RNA regulates anti-fungal defense in plants)于2021年10月22日在线发表在《中国科学》(SCIENCE CHINA Life Sciences)上。

在这项研究中,戚益军课题组首先针对tRNA衍生小RNAs的特征,开发了一种基于RtcB连接酶的小RNA文库构建及测序方法(RtcB sRNA-seq),该方法能够同时捕捉并定量区分末端为3′羟基和3′磷酸/环磷酸的小RNAs。利用RtcB sRNA-seq,系统鉴定分析了拟南芥幼苗中5′ tRNA halves和5′ tsRNAs,发现80个tRNAs可产生近千个5′ tRNA halves和5′ tsRNAs,其中tRNA-Ala、tRNA-Gly和tRNA-Glu衍生的5′ tRNA halves和5′ tsRNAs丰度最高。tRNA-Ala主要产生19-nt的 5′ tsR-Ala,tRNA-Gly主要产生18-nt的5′ tsR-Gly和35-nt 5′ tRNA-Gly half,而tRNA-Glu则主要产生15-nt的5′ tsR-Glu和35-nt 5′ tRNA-Glu half(图1)。


图1 植物tRNA可被切割产生大量小RNAs

该研究进一步着重探索了5′ tsRNAs的产生机制及生物学功能。通过分析RNase T2家族RNA内切酶RNS1至RNS5突变体中5′ tsRNAs的积累,发现RNS1和RNS3负责产生包括5′ tsR-Ala在内的众多5′ tsRNAs。为了研究5′ tsRNAs的生物学功能,利用RNA测序方法分析了rns1和rns3突变体的基因表达谱,发现突变体中大量参与植物抗真菌的茉莉酸信号通路基因上调表达。灰霉菌接种实验表明,与野生型植物相比,rns1和rns3突变体更抗灰霉菌侵染(图2)。这些结果说明RNS1和RNS3可通过切割tRNAs产生5′ tsRNAs,负调控植物对灰霉菌的抗性。


图2 RNS1和RNS3负向调控植物对灰霉菌的防卫反应

该研究最后阐明了其中一个丰度最高的5′ tsRNA,19-nt 5′ tsR-Ala的功能。发现5′ tsR-Ala能够与AGO1结合,并切割与其序列互补的靶标CYP71A13 mRNA,从而负调控CYP71A13基因的表达。CYP71A13编码植保素(植物产生的一种抗菌分子)合成途径中的一个关键酶。利用短串联模拟靶标(STTM)技术沉默5′ tsR-Ala,发现在5′ tsR-Ala沉默的植物中, CYP71A13表达上升,植保素含量增加,对灰霉菌抗性增强。特别有意思的是,研究发现植物在受到灰霉菌侵染时,包括5′ tsR-Ala在内的众多5′ tsRNA积累水平下降。

根据上述结果,该研究提出了植物中5′ tsR-Ala调控植物抗真菌防卫反应的工作模型(图3)。在没有真菌侵染的情况下,植物通过RNS1和RNS3切割tRNA-Ala生成5′ tsR-Ala,5′ tsR-Ala与AGO1结合,切割CYP71A13 mRNA,从而抑制植保素合成和植物对真菌的防卫反应;而当真菌入侵时,植物通过下调5′ tsR-Ala的产生水平,增强CYP71A13的表达和植保素的合成,从而激活植物的防卫反应。


图3 5′ tsR-Ala参与调控植物抗真菌防卫反应的工作模型

银河国际app手机版下载 - 最新版APP Store戚益军教授为该论文的通讯作者。戚益军课题组已毕业博士生谷翰卿、博士后连璧和袁宇翔为论文的共同第一作者,博士生孔辞、博士后刘畅和助理研究员李艳博士参与了部分研究。该研究得到了国家自然科学基金委和清华-北大生命科学联合中心等资助。

原文链接:https://www.sciengine.com/publisher/scp/journal/SCLS/doi/10.1007/s11427-021-2017-1?slug=fulltext