复旦大学任国栋团队合作揭示RNA尿苷化与SKI复合物协同调控植物光合作用新机制

发布者:冯素云发布时间:2022-09-13浏览次数:81


RNA 3’末端尿苷化修饰(RNA uridylation)是一种重要的转录后修饰方式,广泛存在于真核生物中。尿苷化对RNA的稳定性起重要调控作用,如尿苷化的RNA会进一步被下游因子(如核酸外切酶)识别,继而引发RNA失稳或降解。植物中存在多种RNA降解途径,对细胞内的RNA进行质量监控或主动清除。参与胞质mRNA降解的主要成员包括3’5’的核酸外切酶XRN45’3’的外切体(exosome)及SKI复合体(SKI2/SKI3/SKI8)。其中SKI复合体介导靶标RNA的解旋和线性化,协助外切体清除mRNA。当正常的mRNA降解途径受阻时,异常积累的mRNA会被RNA依赖的RNA聚合酶RDR6加工成双链RNA,双链RNA经植物体内Dicer酶(DCL2/4)加工,产生“非法”siRNAillegitimate siRNA)。这些siRNA通过顺式或反式作用反馈切割靶标RNA,从而导致siRNA的大量扩增。在植物中,关于RNA尿苷化机制及尿苷化在mRNA降解代谢中的功能认知十分有限,RNA尿苷化对植物发育调控的重要性也并不清楚。


卡尔文循环(又称C3反应循环)是光合作用碳同化的基本途径。卡尔文循环通过13个高度协作的生化反应,消耗光反应产生的同化力(ATPNADPH),实现CO2的固定和反应底物的再生。遗传改造卡尔文循环酶可以增加光合作用效率,提高农作物产量。尽管对卡尔文循环的生物化学研究已经超过60年,但卡尔文循环基因的表达调控仍然没有得到充分的研究。


2022913日,复旦大学任国栋研究员团队与北京师范大学珠海校区王晓彦副教授、深圳大学于宇助理教授等合作在《美国科学院院报》(PNAS)杂志在线发表了题为“Uridylation and the SKI complex orchestrate the Calvin cycle of photosynthesis through RNA surveillance of TKL1 in Arabidopsis”的研究论文。该研究鉴定了RNA尿苷化与SKI复合物协同监控拟南芥卡尔文循环关键酶基因TKL1的转录本状态,防止TKL1位点产生“非法”siRNA,从而保障植物光合作用的正常进行,该工作揭示了植物光合作用调控的一种全新机制。

研究人员通过构建拟南芥RNA尿苷化酶HESO1URT1RNA降解相关的系列突变体,发现heso1 urt1 ski2突变体叶片明显黄化,光合能力减弱,植物生长迟缓。全基因组sRNA-seq鉴定到157个编码蛋白的基因位点显著积累了“非法”siRNA,其中卡尔文循环关键酶基因TKL1位点积累的“非法”siRNA丰度最高,达到“非法”siRNA总量的1/3。同时,转录组测序表明在产生“非法”siRNA的编码基因中,TKL1的表达丰度严重降低,而其他基因的表达丰度则未受显著影响。代谢组分析显示,heso1 urt1 ski2突变体中卡尔文循环代谢产物积累紊乱,光合能力显著降低。进一步研究表明,“非法”siRNA是造成TKL1及其同源基因TKL2的表达丰度下调的原因,阻断siRNA合成途径可以恢

heso1 urt1 ski2突变体中TKL1/2的表达丰度和叶片黄化表型。该研究揭示了植物RNA尿苷化酶HESO1URT1SKI复合物成员SKI2协同参与TKL1 mRNA的质量监控,抑制“非法”siRNA的积累,确保植物光合作用的有序进行。

北京师范大学珠海校区王晓彦副教授和深圳大学孔稳稳副研究员为论文共同第一作者。复旦大学任国栋研究员、北京师范大学王晓彦副教授以及深圳大学于宇助理教授为论文共同通讯作者。深圳大学莫蓓莘教授和复旦大学黄河青年研究员参与了该项工作。该研究得到国家自然科学基金委、上海市曙光计划、上海市自然科学基金、中国博士后基金以及复旦大学遗传工程国家重点实验室等项目的资助。



论文链接:https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.2205842119