北大****Science揭示基因沉默新机制

　　

生物通报道  RNA干扰保护细胞抵御了诸如病毒或转基因等入侵的遗传因子。然而在侵入RNAs遭到攻击的同时，是什么保护了细胞正常的內源RNAs呢？来自北京大学的研究人员在拟南芥中发现了一个重要的监控系统：细胞通过双向细胞质衰减(RNA-decay)在抑制內源基因沉默保护正常转录组的同时，将攻击焦点集中放在了入侵转录物上。这一重要的研究成果发布在4月3日的《科学》(Science)杂志上。

北京大学生命科学学院的郭红卫（Hongwei Guo）教授是这篇文章的通讯作者。其主要研究方向包括气体激素乙烯的信号转导及植物激素和环境信号相互作用的分子机制，植物器官衰老的激素调控机理，小RNA分子和表观遗传修饰在激素作用中的调控机理，植物激素作用途径的演化和系统生物学研究。已在Cell，Science，Nature，PNAS，Development，Plant  Journal等国际顶级学术刊物上发表论文多篇，在国际上有着广泛的学术影响。

基因表达和沉默构建起了真核细胞的转录组。基因沉默主要有转录前基因沉默（TGS）和转录后基因沉默(PTGS)两类。TGS是指由于DNA修饰或染色体异染色质化等原因使基因不能正常转录；PTGS又被称作为RNA干扰，其充当了以RNA为基础的一种免疫系统对抗了外源基因侵入，并参与了以转座子为主的一组內源基因的沉默（延伸阅读：RNAi技术先驱Cell子刊：优化RNAi新工具 ）。

细胞的双链RNAs（dsRNAs）可以诱发转录后基因沉默，随后这些双链RNAs会被Dicer家族蛋白切割成长度为20-24个核苷酸(nt)小干扰RNA分子(siRNA)。siRNA的一条链进入Argonaute (AGO)蛋白并与其它蛋白作用形成RNA诱导的沉默复合物（RISC）。RISC利用其内部的单链小RNA，通过碱基互补配对识别与之互补的靶标RNA，切割靶标RNA或介导与单链小RNA同源的DNA甲基化或染色质状态从而导致目的基因沉默。植物、真菌和线虫都具有依赖于RNA的RNA聚合酶(RDRPs)，在RDRPs扩大PTGS效应的过程中，通常会生成一些新的区域于初级siRNA的次级siRNA，它们的产生会导致沉默靶位点发生改变，该现象称为沉默的转移性。

PTGS是一个受到精细调控的过程。各种植物病毒都携带着PTGS的阻抑蛋白，对抗植物的抗感染免疫。有研究发现，几个与mRNA质量控制和加工功能相关的元件充当了转基因PTGS的阻抑物。在这篇Science文章中，北京大学的研究人员利用拟南芥模式植物调查了PTGS机器在有效沉默病毒基因组表达的同时，避免靶向内源性编码转录物的机制。

研究人员证实在拟南芥中5′-3′和3′-5′细胞质RNA衰减信号通路阻抑了转基因和内源性PTGS。破坏双向细胞质RNA衰减可导致多效性发育缺陷和转录组显著改变，而PTGS突变体可显著逆转这一效应。在双向RNA衰减机制功能失常的情况下，一些编码转录本包括多个靶microRNA生成了大量21-22个核苷酸的內源性siRNA，干扰了它们的同源基因的表达和功能。

这项研究揭示出了不必要PTGS的风险，确立了细胞质RNA衰减信号通路是植物转录组及发育的安全护卫。

（生物通：何嫱）

作者简介:

郭红卫

北京大学生命科学学院 教授，****

自1996年开始在加州大学研究植物激素乙烯在植物生长、植物自我保护以及植物适应周边胁迫中的作用机制，是这一领域最前沿的科学家。2001年毕业于美国加州大学（UCLA），博士生期间以第一作者在Science上发表2篇论文；在美国Salk Institute从事博士后研究期间以第一作者在CELL上发表1篇论文，奠定其在这一领域的领先地位。郭教授放弃了美国康奈尔大学等著名高校提供的教授职位，毅然回国，在北京大学组建一流实验室，研究植物激素在植物发育中的作用，并连续在PNAS、PLANT、CELL等刊物发表研究论文多篇。是“****特聘教授”和“国家杰出青年”获得者。

主要研究方向：

气体激素乙烯的信号转导及植物激素和环境信号相互作用的分子机制，植物器官衰老的激素调控机理，小RNA分子和表观遗传修饰在激素作用中的调控机理，植物激素作用途径的演化和系统生物学研究。

生物通推荐原文摘要：

Suppression of endogenous gene silencing by bidirectional cytoplasmic RNA decay in Arabidopsis

Plant immunity against foreign gene invasion takes advantage of posttranscriptional gene silencing (PTGS). How plants elaborately avert inappropriate PTGS of endogenous coding genes remains unclear. We demonstrate in Arabidopsis that both 5′-3′ and 3′-5′ cytoplasmic RNA decay pathways act as repressors of transgene and endogenous PTGS. Disruption of bidirectional cytoplasmic RNA decay leads to pleiotropic developmental defects and drastic transcriptomic alterations, which are substantially rescued by PTGS mutants. Upon dysfunction of bidirectional RNA decay, a large number of 21- to 22-nucleotide endogenous small interfering RNAs are produced from coding transcripts, including multiple microRNA targets, which could interfere with their cognate gene expression and functions. This study highlights the risk of unwanted PTGS and identifies cytoplasmic RNA decay pathways as safeguards of plant transcriptome and development.