清華生命學(xué)院孫前文實(shí)驗(yàn)室發(fā)文報(bào)道R環(huán)影響葉綠體基因組穩(wěn)定的調(diào)控機(jī)制
清華新聞網(wǎng)9月25日電 9月23日，清華大學(xué)生命學(xué)院孫前文研究員實(shí)驗(yàn)室在植物學(xué)國(guó)際知名期刊《植物細(xì)胞》(The Plant Cell)在線(xiàn)發(fā)表題為“核糖核酸酶H與DNA解旋酶協(xié)作以限制擬南芥葉綠體R環(huán)水平并且維持基因組穩(wěn)定性（RNase H1 cooperates with DNA gyrases to restrict R-loops and maintain genome integrity in Arabidopsis chloroplast）”的研究論文，首次報(bào)道了葉綠體基因組穩(wěn)定性受到R-loop影響的分子機(jī)制。
R環(huán)是一種特殊的三鏈核酸結(jié)構(gòu)，其組成包括一條DNA:RNA雜合鏈（由RNA與其同源DNA序列互補(bǔ)雜交形成）和一條單鏈DNA。近年來(lái)已在多種生物體中發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定存在的R環(huán)結(jié)構(gòu)，并且越來(lái)越多研究表明R環(huán)的積累與許多人類(lèi)疾病有關(guān)，例如神經(jīng)變性疾病，核苷酸擴(kuò)增疾病以及癌癥等。R環(huán)的清除受多種因素調(diào)節(jié)，其中核核糖核酸酶H(RNase H)可以特異地清除DNA:RNA雜合鏈中的RNA，是去除核糖核酸酶H結(jié)構(gòu)的主要因子之一。
圖1：葉綠體定位的核糖核酸酶H蛋白AtRNH1C對(duì)葉綠體的發(fā)育，R環(huán)水平以及基因組的穩(wěn)定性至關(guān)重要。
A：AtRNH1C基因突變后嚴(yán)重影響葉綠體發(fā)育。B：相比野生型（Col-0），atrnh1c突變體中葉綠體基因組R環(huán)水平大量積累。C：脈沖電泳分析發(fā)現(xiàn)atrnh1c突變體中葉綠體基因組穩(wěn)定性明顯降低。
目前對(duì)植物中R環(huán)調(diào)控以及相關(guān)功能的研究還非常少，尤其植物半自主細(xì)胞器如葉綠體中R環(huán)的存在和功能尚屬未知。葉綠體被譽(yù)為植物的“養(yǎng)料制造車(chē)間”，它的正常運(yùn)轉(zhuǎn)基于其基因組的穩(wěn)定性。早在上世紀(jì)八十年代鄧興旺博士就發(fā)現(xiàn)菠菜葉綠體基因組可以自發(fā)降解的現(xiàn)象（Deng et al., PNAS USA, 1989），然而葉綠體如何抵抗DNA損傷并精確維持基因組穩(wěn)定的機(jī)制尚不清楚。
孫前文課題組通過(guò)分析獲得一個(gè)新的定位于葉綠體中的核糖核酸酶H蛋白（AtRNH1C），發(fā)現(xiàn)該蛋白可以調(diào)節(jié)葉綠體中R-loop水平的變化，從而維持基因組的穩(wěn)定性和發(fā)育（圖1）；后續(xù)分析揭示核糖核酸酶H蛋白可以與DNA解旋酶協(xié)作來(lái)解除葉綠體基因組rDNA區(qū)轉(zhuǎn)錄與復(fù)制時(shí)發(fā)生迎面（Head-on）對(duì)撞，從而減少DNA的損傷（圖2）。當(dāng)核糖核酸酶H蛋白和DNA解旋酶的活性減弱或缺失時(shí)，R環(huán)就會(huì)在rDNA區(qū)大量積累，同時(shí)DNA復(fù)制受阻，導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄與DNA復(fù)制叉發(fā)生迎面（Head-on）對(duì)撞并破壞葉綠體基因組的穩(wěn)定性（圖2）。這一發(fā)現(xiàn)詳細(xì)地解釋了葉綠體如何精確抵抗基因組不穩(wěn)定性，也將加深對(duì)真核生物細(xì)胞中其它半自主細(xì)胞器（如線(xiàn)粒體）基因組組成的認(rèn)識(shí)，并有望為治療某些線(xiàn)粒體基因組穩(wěn)定性異常而導(dǎo)致的人類(lèi)疾病提供理論依據(jù)。
圖2：上圖：核糖核酸酶H蛋白AtRNH1C和DNA解旋酶復(fù)合體AtGyrases協(xié)作以解除葉綠體基因組中高轉(zhuǎn)錄與高復(fù)制區(qū)域發(fā)生的迎面（Head-on）對(duì)撞從而維持基因組穩(wěn)定；下圖：當(dāng)核糖核酸酶H失活（atrnh1c）或DNA解旋酶復(fù)合體活性被藥物抑制(CIP)后，高轉(zhuǎn)錄與高復(fù)制區(qū)域的迎面（Head-on）對(duì)撞無(wú)法解除，從而導(dǎo)致基因組穩(wěn)定性降低。
孫前文實(shí)驗(yàn)室重點(diǎn)關(guān)注植物R環(huán)的形成、穩(wěn)定和解除的調(diào)節(jié)機(jī)制及相應(yīng)的生物學(xué)功能，本研究是繼報(bào)道R環(huán)調(diào)節(jié)長(zhǎng)非編碼RNA表達(dá)并影響擬南芥開(kāi)花[《科學(xué)》（Science）, 2013]、調(diào)控水稻根的向地性[《分子植物學(xué)》（Molecular Plant）, 2017]、以及精準(zhǔn)高效高通量全基因組R環(huán)分析[《自然·植物》（Nature Plant）, 2017]后的又一重要成果。
孫前文實(shí)驗(yàn)室2016級(jí)博士研究生楊卓、博士后侯全璨和2014級(jí)博士研究生程玲玲通力協(xié)作共同完成了本項(xiàng)研究，同署共同第一作者；孫前文研究員為本文的通訊作者。該研究主要獲得清華大學(xué)自主科研計(jì)劃（青年教師基礎(chǔ)研究專(zhuān)項(xiàng)）和科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的資助，其它支持經(jīng)費(fèi)來(lái)源還包括國(guó)家自然科學(xué)基金委以及生命科學(xué)聯(lián)合中心等。侯全璨博士受到清華大學(xué)博士后支持計(jì)劃的資助。清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)測(cè)試中心蛋白化學(xué)平臺(tái)在本研究中的質(zhì)譜分析方面給予了大力支持。
原文鏈接：
http://www.plantcell.org/content/early/2017/09/21/tpc.17.00305?rss=1
相關(guān)文章鏈接：
2013年Science文章報(bào)道R-loop調(diào)節(jié)長(zhǎng)非編碼RNA表達(dá)并影響擬南芥開(kāi)花：
http://science.sciencemag.org/content/340/6132/619.long
2017年Molecular Plant文章報(bào)道R-loop調(diào)控水稻根的向地性：
http://www.cell.com/molecular-plant/fulltext/S1674-2052(17)30102-8
2017年Nature Plants文章報(bào)道精準(zhǔn)、高效、高通量檢測(cè)R-loop分布的新方法:
https://www.nature.com/articles/s41477-017-0004-x
供稿：生命學(xué)院 編輯：華山
