调控基因表达的双刃剑：转录后水平基因沉默

　　

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生物通报道：植物转录后水平基因沉默保护植物基因组免于外来基因的入侵, 同时调控了一组特定的发育相关的内源基因的表达.来自北京大学生命科学学院的研究人员综述了植物如何防控不利的转录后水平基因沉默发生的一些最新进展. 作为转录后水平基因沉默决定性的一步, 大多数内源基因表达产生的缺陷转录本进入细胞质双向降解过程, 而不进入小干扰RNA(siRNA)介导的转录后水平基因沉默, 只有少数发育相关的内源siRNA 产生基因是例外. 文章同时也讨论了植物中谨慎权衡的转录后水平基因沉默阈值模型, 即植物能充分利用转录后水平基因沉默, 同时又避免伤害自身.

真核细胞中, 基因表达和基因沉默共同决定了完整转录组的实现. 基因沉默可以分为转录水平基因沉默和转录后水平基因沉默, 其中转录后水平基因沉默通常作为真核生物的一种基于RNA的免疫机制, 防御病毒和外源基因入侵. 同时, 转录后水平基因沉默途径也被细胞内一些基因表达调控网络整合, 在植物生长发育中起到重要作用.

植物转基因转录后沉默也被称为共抑制, 最早在转基因植物中发现, 这些植物中转基因和其同源的内源基因的表达都被破坏. 早期植物中发现的基于RNA的抗病毒现象, 真菌中的quelling效应动物中的RNA干扰现象都有共同的转录后水平基因沉默的机制. 高丰度表达的转基因和入侵的病毒基因很容易发生转录后水平基因沉默. 与之相反, 大多数内源基因的表达并不容易发生基因沉默, 只有少数内源基因产生小干扰RNA(siRNA). 之前的观察和研究并没有回答细胞中转录后水平基因沉默是怎样被控制的, 以及大多数内源基因是如何避免发生转录后水平基因沉默的.

这篇文章综述了目前关于转录后水平基因沉默决定机制, 即细胞内转录本如何实现适当的基因表达或启动转录后水平基因沉默的研究进展, 重点讨论了细胞质RNA降解机制在维持恰当的转录后水平基因沉默阈值中的作用, 以实现外源基因的转录本进入转录后水平基因沉默途径, 而内源编码基因得以正常表达.

植物利用一个双稳定模块系统来实现转录后水平基因沉默反应“开”或“关”的状态, 这一模块系统包括以下3个组分: (ⅰ) 有缺陷的RNA, 这是起始转录后水平基因沉默的触发条件; (ⅱ) 一个基于RNA降解机制的刹车系统, 从而能够有效地消除触发因素并且建立转录后水平基因沉默的阈值; (ⅲ) 次级siRNA 合成系统, 一旦转录后水平基因沉默被打开, 通过次级小RNA级联放大形成正反馈. 这种双稳定系统对于细胞免疫系统准确识别细胞质中“自我”与“非自我”转录本以及将它们归类为“表达”或“沉默”转录本十分关键.

根据植物领域相关研究, 双向mRNA降解途径在真菌和动物中的关键作用可能与抑制转录后水平基因沉默相关, 并且真菌和动物中也有转录后水平基因沉默级联放大所需的RNA依赖的RNA聚合酶. 尽管如此, 在不同物种中两条mRNA降解途径之间可能存在的合作关系及其生物学意义仍不完全清楚. 例如, 酵母中xrn1ski2双突纯合致死, 暗示mRNA降解途径对于缺少小RNA级联放大作用的物种, 如出芽酵母(Saccharomyces cerevisiae)、果蝇(Drosophila melanogaster)、小鼠(Mus musculus)和人(Homo sapiens)来说也是必不可少的. 但是, 根据目前所知的, 筛选能够回复酵母xrn1ski2双突致死表型的突变体时, 仅筛选到了一个突变体rat1, 这一突变体胞质中滞留的RAT1在功能上能够替代XRN1. 因此, 还需要更多的研究来揭示胞质mRNA降解途径在不同物种中的功能.

综上所述, 在细胞内存在基因沉默系统的情况下, 基因的表达有一定风险性, 而胞质内双向RNA降解途径在保卫植物正常的发育过程不受转录后水平基因沉默引发的“自我攻击”上具有十分关键的作用. 维持转录后水平基因沉默的某一阈值需要合适的权衡, 若植物没有转录后水平基因沉默会十分容易受到病毒的侵染, 并且转录后水平基因沉默对于控制转基因的表达也是很重要的, 相反, 若植物转录后水平基因沉默的阈值很低, 内源基因表达的鲁棒性会受到影响. ct-siRNA 合成有高风险, 这为为何基于RNA的免疫系统在进化中渐渐弱化而被基于蛋白的免疫系统取代提供了一个可能的解释.

原文检索：

张新岩, 朱颖, 吴辉辉, 等. 植物转录后水平基因沉默: 调控基因表达的一把双刃剑. 中国科学: 生命科学, 2016, 46: 716–722, doi: 10.1360/N052015-00244
Zhang X Y, Zhu Y, Wu H H, et al. Post-transcriptional gene silencing in plants: a double-edged sword. Sci China Life Sci, 2016, 59: 271–276, doi: 10.1007/s11427-015-4972-7