清華新聞網(wǎng)9月6日電 miRNA通過(guò)調(diào)節(jié)基因表達(dá)，在植物生長(zhǎng)發(fā)育、逆境響應(yīng)等過(guò)程中發(fā)揮重要調(diào)控作用；闡明miRNA的產(chǎn)生和功能機(jī)制，對(duì)于揭示基因表達(dá)調(diào)控規(guī)律、開(kāi)發(fā)改良作物農(nóng)藝性狀的新資源具有重要意義。植物miRNA由Dicer-Like1（DCL1）、SERRATE（SE）和HyponasticLeaves 1（HYL1）組成的復(fù)合體切割其前體pri-miRNA產(chǎn)生。DCL1、HYL1及SE共定位于細(xì)胞核中并形成2-4個(gè)直徑為0.2-0.8μm的切割小體（Dicing body）。戚益軍研究組之前發(fā)現(xiàn)切割小體由SE蛋白通過(guò)液-液相分離驅(qū)動(dòng)組裝形成。miRNA前體在切割小體中高效加工為成熟的miRNA，成熟的miRNA隨后與HYL1結(jié)合，從切割小體中釋放至小體外進(jìn)而發(fā)揮功能。這些發(fā)現(xiàn)闡明了植物miRNA產(chǎn)生的核心工作機(jī)制，但對(duì)于切割小體的形成及其在miRNA生成中的作用是如何得到調(diào)節(jié)的，迄今知之甚少。
8月29日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、植物生物學(xué)研究中心戚益軍課題組在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS）在線(xiàn)發(fā)表題為“肽基脯氨酰異構(gòu)酶CYP71促進(jìn)擬南芥中SERRATE相分離和miRNA加工”（Peptidyl-prolyl isomerase Cyclophilin 71 promotes SERRATE phase separation and miRNA processing inArabidopsis）的研究論文。該研究發(fā)現(xiàn)環(huán)孢親和蛋白Cyclophilin71（CYP71）利用其肽基脯氨酰異構(gòu)酶（peptidyl-prolyl isomerase，PPIase）活性促進(jìn)SE相分離和切割小體形成，增強(qiáng)DCL1-SE-HYL1復(fù)合體切割活性，從而促進(jìn)miRNA加工。該發(fā)現(xiàn)揭示了植物切割小體形成及miRNA產(chǎn)生的重要調(diào)節(jié)機(jī)制。
研究中，戚益軍課題組首先通過(guò)正向遺傳篩選發(fā)現(xiàn)，CYP71調(diào)控miRNA的產(chǎn)生和植物發(fā)育（圖1）。CYP71的突變導(dǎo)致很多miRNA的積累水平顯著降低，而其靶基因表達(dá)升高。在CYP71突變體中，MIR基因的轉(zhuǎn)錄水平基本沒(méi)有變化，但miRNA前體水平升高，提示CYP71可能正向調(diào)節(jié)miRNA加工。
圖1.CYP71突變導(dǎo)致擬南芥發(fā)育缺陷和miRNA積累水平降低
研究發(fā)現(xiàn)，CYP71可以與SE發(fā)生直接相互作用，研究組因此檢測(cè)了CYP71是否調(diào)控SE相分離及切割小體形成。結(jié)果表明，在體外，CYP71促進(jìn)SE相分離及切割小體的組裝，在植物體內(nèi)，CYP71的突變會(huì)導(dǎo)致大多數(shù)植物細(xì)胞不能形成切割小體（圖2）。CYP71具有PPIase活性結(jié)構(gòu)域。通過(guò)對(duì)兩個(gè)保守的氨基酸殘基（R519或F524）進(jìn)行定點(diǎn)突變，構(gòu)建了PPIase活性減弱的CYP71變體。發(fā)現(xiàn)CYP71變體不能促進(jìn)SE相分離及切割小體的組裝，說(shuō)明CYP71利用其PPIase活性促進(jìn)SE相分離及切割小體形成。
圖2.CYP71促進(jìn)SE相分離和切割小體的形成
SE能夠通過(guò)驅(qū)動(dòng)切割小體的形成提高DCL1-SE-HYL1復(fù)合體的切割效率。研究組因此進(jìn)一步檢測(cè)了CYP71對(duì)miRNA加工的影響。結(jié)果表明，CYP71可顯著提高體外重組的切割小體的活性，而其PPIase活性減弱變體R519A和F524A則無(wú)促進(jìn)作用。同時(shí)，遺傳學(xué)證據(jù)表明，CYP71的PPIase活性為植物體內(nèi)miRNA的高效生成所必需。
該研究首次揭示了環(huán)孢親和蛋白對(duì)miRNA加工的調(diào)控功能，并揭示肽基脯氨酰順?lè)串悩?gòu)化在SE相分離中的重要調(diào)控功能。肽基脯氨酰順?lè)串悩?gòu)化是一種肽鍵順式構(gòu)象與反式構(gòu)象之間的轉(zhuǎn)變，可通過(guò)誘導(dǎo)蛋白質(zhì)構(gòu)象變化，改變蛋白質(zhì)的表面特性，從而調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)分子之間的相互作用。在小鼠和人類(lèi)細(xì)胞中，能夠相分離的蛋白質(zhì)在肽基脯氨酰異構(gòu)酶A（環(huán)孢親和蛋白A）底物中富集，表明肽基脯氨酰順?lè)串悩?gòu)化可能是調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)相分離的通用機(jī)制。
戚益軍教授為該論文的通訊作者，助理研究員李艷為該論文的共同通訊作者，已畢業(yè)博士生趙高展、牛錦榮和2021級(jí)博士生海卓妍為論文共同第一作者，2018級(jí)博士生李騰飛，已畢業(yè)博士生謝東奇亦參與了工作。該研究由國(guó)家自然科學(xué)基金委提供經(jīng)費(fèi)支持。
論文鏈接：
www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2305244120
供稿：生命學(xué)院
題圖設(shè)計(jì)：李娜
編輯：李華山
審核：郭玲
