擬南芥中的SmD1蛋白、RNA質(zhì)量控制機(jī)制與轉(zhuǎn)錄后基因沉默機(jī)制

何柳瑩

摘 ? 要：RNA質(zhì)量控制（RQC）是細(xì)胞內(nèi)降解功能障礙RNA的機(jī)制。SmD1蛋白屬于核糖核蛋白顆粒（RNP），影響轉(zhuǎn)錄后基因沉默（PTGS）機(jī)制。SmD1不通過參與siRNA的生成，也不通過剪接作用影響PTGS。其影響效果的強(qiáng)弱與擬南芥品系自身沉默誘導(dǎo)的強(qiáng)度有關(guān)。RQC途徑和PTGS途徑競爭相似的RNA底物，RNA底物共享可能僅在RQC途徑變得低效或受損時(shí)發(fā)生。內(nèi)源基因難以產(chǎn)生siRNA并進(jìn)入PTGS途徑。相反，轉(zhuǎn)入基因更易產(chǎn)生大量的異常RNA，從而引發(fā)PTGS。SmD1通過限制RQC機(jī)制降解轉(zhuǎn)入基因產(chǎn)生的異常RNA，允許異常RNA進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)siRNA體，以促進(jìn)PTGS。

關(guān)鍵詞：擬南芥;SmD1蛋白;RNA質(zhì)量控制機(jī)制;轉(zhuǎn)錄后基因沉默機(jī)制

1 ? RNA質(zhì)量控制（RQC）與轉(zhuǎn)錄后基因沉默機(jī)制（PTGS）

RNA質(zhì)量控制是細(xì)胞利用核酸內(nèi)切酶和核酸外切酶降解有功能障礙的RNA。 RQC因子不僅存在于細(xì)胞核中，還存在于胞質(zhì)的siRNA體中。其中，NMD（Nonsense-mediated decay）是細(xì)胞質(zhì)中的一種RQC途徑，其可通過降解無義突變產(chǎn)生的過短蛋白，以限制異常RNA的翻譯[1]。

核糖核蛋白顆粒（RNP），是RNA與RNA結(jié)合蛋白的復(fù)合體。反義RNA與RNP復(fù)合體結(jié)合后，能與mRNA互補(bǔ)形成雙鏈RNA。隨后，DICER酶能將上述的雙鏈RNA切成小段的siRNA。siRNA可與RNA誘導(dǎo)沉默復(fù)合體結(jié)合，由雙鏈變成單鏈，再與mRNA配對后使之降解[2]。一些轉(zhuǎn)基因植物因能表達(dá)反義RNA，RNA干涉途徑處于激活狀態(tài)，將引起轉(zhuǎn)錄后基因沉默。SmD1蛋白是RNP的一種，其含有酵母Sm結(jié)構(gòu)域。SmD1在擬南芥中有兩種形式，分別為At3g07590（也稱為SmD1a）和At4g02840（也稱為SmD1b）。smd1a和smd1b分別為SmD1a和SmD1b蛋白突變品系，是PTGS缺陷體[3]。

2 ? 影響PTGS的因素

Moreno等發(fā)現(xiàn)，除DCP2、XRN2、XRN3和XRN4的突變外，細(xì)胞質(zhì)去腺苷酸化，NMD成分突變和RQC成分突變也可增強(qiáng)PTGS。因?yàn)樗鼈冊试S轉(zhuǎn)錄時(shí)單鏈RNA變成雙鏈RNA，進(jìn)而觸發(fā)PTGS。然而，因?yàn)榉聪蛑貜?fù)的PTGS（inverted-repeat-PTGS）轉(zhuǎn)錄時(shí)直接形成發(fā)夾式的雙鏈RNA，因此RQC突變對其沒有影響。Bardou等探究了SmD1影響PTGS的因素。發(fā)現(xiàn)smd1a及smd1b突變體的siRNA的產(chǎn)生量與野生型植株幾乎一致，因此SmD1不參與siRNA的生成。Hc1和L1品系分別是把Hc1和L1基因座引入PTGS缺陷體得到的品系，皆攜帶不含內(nèi)含子的 p35S：GUS 轉(zhuǎn)基因。Hc1和L1品系smd1b突變體中PTGS改變的程度大不一樣，表明smD1影響PTGS的因素與其對DNA的剪接作用無關(guān)。

為進(jìn)一步探究SmD1影響PTGS的效果，Bardou選擇了4種擬南芥品系（Hc1、L1、2a3與159），檢測各品系的野生型植株和smd1b突變體植株對轉(zhuǎn)入基因的抑制程度。發(fā)現(xiàn)SmD1影響PTGS的效果的強(qiáng)弱與品系自身沉默誘導(dǎo)的強(qiáng)度有關(guān)。smd1b突變消除了沉默誘導(dǎo)品系強(qiáng)度弱的Hc1品系的PTGS，降低了中等強(qiáng)度品系2a3和159的PTGS效率，并且僅僅減少了沉默誘導(dǎo)品系強(qiáng)品系L1的siRNA積累而不阻斷其PTGS。

3 ? RQC與PTGS的關(guān)系

RQC突變的擬南芥中5’～3’核酸外切酶被破壞，而正鏈介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄后基因沉默（S-PTGS）增強(qiáng)，表明RQC途徑和PTGS途徑競爭相似的RNA底物。Moreno等提出了RQC和S-PTGS之間的單鏈RNA拔河模型，用于解釋RNA降解途徑中的底物如何正確分配。并且認(rèn)為RQC途徑和PTGS途徑通?？梢元?dú)立作用，RNA底物共享可能僅在RQC途徑變得低效或受損時(shí)發(fā)生。

5 '～3'和3'～5'的RNA降解途徑獨(dú)立作用，且都有助于減少轉(zhuǎn)入基因產(chǎn)生的異常RNA的數(shù)量，使異常RNA不能進(jìn)入S-PTGS途徑。5’ ～3’和3’ ～5’的 RNA降解途徑同時(shí)受損時(shí)，內(nèi)源的異常mRNA才可進(jìn)入PTGS途徑，并產(chǎn)生siRNA。內(nèi)源基因產(chǎn)生異常RNA的可能性較小，即便產(chǎn)生，其含量也不足超過5'～3'和3'～5'兩條RNA降解途徑的負(fù)荷總和。因此內(nèi)源基因難以產(chǎn)生siRNA并進(jìn)入PTGS途徑。相反，轉(zhuǎn)入基因更易產(chǎn)生大量的異常RNA，只要5'～3'和3'～5'兩條RNA降解途徑中的一條途徑飽和或受損，異常RNA就會進(jìn)入S-PTGS[4]。

Gy等認(rèn)為，RQC通過降解轉(zhuǎn)入基因產(chǎn)生的異常RNA來限制PTGS。Bardou等將159/smd1b植株與各種RQC缺陷型突變體雜交，包括mtr4、upf1、upf3、xrn2、xrn3和xrn4，然后產(chǎn)生相應(yīng)的雙突變體。該結(jié)果表明，SmD1在MTR4依賴性RQC途徑中起作用。159/smd1b 的PTGS程度很低，而PTGS在smd1b upf3、smd1b xrn2、smd1b xrn3和smd1b xrn4雙突變體中恢復(fù)到野生型水平，即在smd1b突變體中，RQC功能的消失使PTGS恢復(fù)正常，證實(shí)了smd1b突變

體中PTGS機(jī)制的功能未被損害，且證實(shí)SmD1通過阻礙RQC機(jī)制降解轉(zhuǎn)入基因產(chǎn)生的異常RNA，允許足夠量異常RNA進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)中的siRNA體以激活PTGS。

參考文獻(xiàn)：

[ 1 ] Beatriz MA，F(xiàn)lorian B，Crespi Martin D，et al.Cytoplasmic andnuclear quality control and turnover of single-stranded RNAmodulate post-transcriptional gene silencing in plants[J]. NUC-LEIC ACIDS RES，2013，41（8）.

[ 2 ] Simone M，Maurizio P. RNA interference：learning gene knock-down from cell physiology.[J]. J TRANSL MED，2004，2（1）.

[ 3 ] Emilie EM，F(xiàn)lorian B，F(xiàn)ederico A，et al.The Nuclear Ribonuc-leoprotein SmD1 Interplays with Splicing，RNA Quality Control，and Posttranscriptional Gene Silencing in Arabidopsis.[J]. PLANTCELL，2016，28（2）.

[ 4 ] Yu A，Saudemont B，Bouteiller N，et al.Second-Site Mutagenesisof a Hypomorphic argonaute 1 Allele Identifi es SUPERKILLER 3 as anEndogenousSuppressor of Transgene Posttranscript-ional Gene Silencing[J]. Plant physiology，2015，169（2）.

（收稿日期：2019-06-27）