上海交大王传德课题组发文揭示RPD1蛋白介导线粒体内含子剪接的分子机制

　　

线粒体基因的表达、生物生成和功能实现主要依赖于核基因编码蛋白。这一过程主要通过转录后水平进行调控，包含了广泛的内含子剪接事件。在高等植物中，绝大多数线粒体内含子属于能够自我剪接的II类内含子。然而，由于植物线粒体基因的异质性，其内含子失去了自我剪接的能力，因而必须依靠核编码的蛋白质因子来辅助完成剪接过程。这些剪接因子参与内含子剪接的特异性高度可变，一些剪接因子（即特定剪接因子）参与一个或少数几个内含子剪接；另一些剪接因子（即通用剪接因子）参与了数量众多的内含子剪接事件。然而，这些剪接因子如何参与剪接反应的分子机制尚不清楚。

2024年2月14日，上海交通大学农业与生物学院王传德课题组在核酸领域顶级期刊Nucleic Acids Research发表了题为 “Temperature-sensitive splicing defects in Arabidopsis mitochondria caused by mutations in the ROOT PRIMORDIUM DEFECTIVE 1 gene”的研究论文，揭示了PORR蛋白家族的RPD1蛋白直接参与多个线粒体内含子的剪接。研究指出，RPD1基因的两个温度敏感性突变对其参与内含子剪接的功能产生了影响，从而证明了高温条件下突变体的不定根发育异常主要是由于RPD1与线粒体内含子的结合能力降低，进而损害了线粒体的功能，而并非由于RPD1直接参与调控拟南芥不定根的形成。此外，RPD1蛋白与目标内含子的多个不同区域相结合，表明RPD1在内含子剪接过程中可能具有多样性机制。

RPD1基因最初因其在调控植物根原基发育中的作用而被发现，其编码蛋白对根系发育具有关键影响。因突变导致根发育异常，故命名为Root Primordium Defective 1。该基因的两种温度敏感突变体在常温（22°C）下能形成不定根，而在高温（28°C）下则不能。进一步研究发现，RPD1蛋白是一个包含15个成员的蛋白家族中的一员，该家族中有三个成员随后被发现参与了线粒体或叶绿体内含子剪接，引发了RPD1可能参与细胞器RNA转录后调控的猜想，尽管其在根发育中的确切作用仍然不明。

为阐明RPD1的分子功能，首先确定了RPD1蛋白在细胞中的定位，发现其主要定位于线粒体，这与之前的核定位假设相悖。对rpd1部分回补突变体植株的深入分析发现，RPD1对于多个线粒体的内含子剪接至关重要，从而证实了其在线粒体剪接中的广泛作用。这一作用与RPD1 的敲除突变体所展现的呼吸链缺陷及胚胎致死现象相一致。此外，在不同温度（22°C和28°C）下对rpd1温度敏感突变体的分析显示，高温（28°C）加剧了线粒体内含子剪接的缺陷，显著降低了线粒体活性，进而抑制了包括根原基细胞在内的细胞分裂。根发育的抑制主要由线粒体功能障碍引起，而非RPD1基因直接参与根形态构建。通过RIP-seq分析确认了RPD1直接与线粒体内含子相结合，且其结合位点跨越不同内含子的多个区域，而这些结合序列间并无显著同源性，这暗示了RPD1参与内含子剪接过程的复杂性与多样性。

上海交通大学王传德教授为论文的第一作者，法国国家农业科学院Hakim Mireau资深研究员为通讯作者。

据悉，该研究是王传德团队在细胞器基因表达调控领域的又一重要进展。近期发现核编码蛋白参与细胞器内含子剪切（PNAS, 2020；Nucleic Acids Research, 2024）；较系统地阐明了PPR蛋白参与线粒体RNA 的3’端加工成熟的多样性分子机制（Nucleic Acids Research, 2017; Plant Physiology, 2022; Nucleic Acids Research, 2023）；揭示了油菜核编码蛋白Rfo在翻译水平上抑制不育基因的表达，从而恢复Ogura-CMS的育性（PNAS, 2021）。 

论文链接：https://doi.org/10.1093/nar/gkae072

作者：

农业与生物学院

供稿单位：

农业与生物学院