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科研进展

 

Nature Plants|戚益军课题组发现植物在逆境响应过程中存在RNA介导的基因共表达调控网络


  真核生物基因组可转录产生大量RNA。这些RNA包括编码蛋白质的mRNA和众多非编码RNA(ncRNA)。ncRNA大致可分为两大类:看家ncRNA(housekeeping ncRNA)和调控性ncRNA。看家ncRNA包括参与蛋白质合成的核糖体RNA(rRNA)、转运RNA(tRNA),参与RNA剪接的snRNA和参与RNA修饰的snoRNA等;调控性RNA则包括介导RNA干扰的小RNA(sRNA,长度为20-30个核苷酸)和长非编码RNA(lncRNA,长度为>200个核苷酸)。lncRNA可从基因间区、内含子和蛋白编码基因的反义链产生,通过不同机制发挥不同功能。这些种类繁多、功能各异的RNA构成了丰富多彩的“现代RNA世界” (Modern RNA World)。

  很多RNA与染色质相结合发挥调控功能。这些与染色质相互作用的RNA可通过招募RNA结合蛋白,作为支架帮助蛋白复合体的形成或促进染色质-染色质相互作用,调控染色质结构的形成和基因表达。2021年10月14日,清华大学生命科学学院戚益军课题组在《自然植物》(Nature Plants)杂志在线发表了题为“Global profiling of RNA-chromatin interactions reveals co-regulatory gene expression networks in Arabidopsis”的研究论文。该论文在全基因组水平系统分析了模式植物拟南芥中RNA-染色质的相互作用,发现植物在响应胁迫过程中形成由众多胁迫响应基因组成的互作网络,由此提出了以RNA-染色质互作为骨架的基因共表达调控网络的新概念。

  戚益军课题组基于美国加州大学圣地亚哥分校付向东课题组之前开发的GRID-seq(Global RNA interactions with DNA by deep sequencing)技术,鉴定分析了拟南芥幼苗中13000多对RNA与染色质相互作用。发现来自同一染色体的RNA-染色质相互作用主要由mRNA介导,而染色体间的RNA-染色质相互作用则主要由ncRNA介导。绝大多数RNA介导数量有限的相互作用,但以U2 snRNA和rRNA等少量RNA可介导成百上千个相互作用。有意思的是,该研究发现有254 lncRNA介导494对相互作用,其中6个lncRNA介导多对相互作用,形成以这些lncRNA为节点的互作网络。该研究进一步运用BL-Hi-C(Bridge Linker-Hi-C)技术对拟南芥幼苗中染色质-染色质的相互作用进行了系统分析,并与RNA-染色质的相互作用进行比较,发现RNA-染色质相互作用与染色质-染色质相互作用呈正相关,提示RNA-染色质相互作用可能对染色质结构的形成发挥调控作用。

 

  植物会遭遇各种各样的环境变化和胁迫挑战。由于不能移动,植物进化出了复杂巧妙的机制以适应和抵御各种环境胁迫。该研究进一步探索了RNA-染色质相互作用在植物响应胁迫中的变化及其功能。研究发现,大量RNA-染色质相互作用在植物受到生物胁迫(丁香假单胞菌,Pst DC3000侵染)和非生物胁迫(热处理)时发生变化。GRO-seq (Global nuclear Run-On sequencing)分析发现这些改变不依赖于RNA表达水平的改变,这意味着在植物响应胁迫过程中,RNA与染色质的结合可发生重新分布。非常有意思的是,发生变化的RNA-染色质相互作用形成了以特定RNA或染色质位点为互作结点的复杂网络,并且这些互作通常发生在胁迫响应相关的基因之间。例如,70多个RNA与rDNA位点(At3g41768)的相互作用在丁香假单胞菌侵染时发生改变,形成了以该rDNA位点为核心节点的大网络。在此网络中,涉及了25个抗病相关基因(如图)。这些发现表明,RNA-染色质的相互作用可能对抗逆相关基因的协同表达起到重要调控作用。

图1:热处理条件下发生改变的RNA-染色质相互作用形成网络。

  综上,该研究从全基因组水平揭示了拟南芥中RNA-染色质的相互作用,为研究RNA的调控功能提供了重要基础。更为重要的是,该研究发现涉及大量胁迫响应基因的RNA-染色质相互作用可在植物遭遇生物或非生物胁迫时发生改变,并提出了由RNA-染色质互作为骨架的基因共表达调控网络的新概念。

 

  清华大学、生命科学联合中心戚益军教授和加州大学圣地亚哥分校付向东教授为该论文的共同通讯作者。戚益军实验室已毕业博士生李兰霞(现为北京生命科学研究所博士后)和雒昊飞(现为中科院遗传发育所博士后)为论文的共同第一作者,博士生韩露、助理研究员李艳博士和付向东实验室博士后Do-Hwan Lim参与了该研究。该研究由科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金委和生命科学联合中心等资助。

 

 




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