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植物前减数分裂过程中phasiRNA形成的新机制
日期:2021-09-14 作者:未知 来源:植物生物技术 Pbj 点击:
   PhasiRNAs(Phased small interfering RNAs)通常是由 22 nt miRNAs 靶向作用于多聚腺苷酸化的 mRNAs 或 lncRNAs 产生的。这些标靶转录物随后通过RDR6(RNA-Dependent RNA polymerase 6)和 DCL(Dicer-like)蛋白的作用被加工成 21 nt 或 24 nt siRNA 的双链体。这些 siRNA 彼此同相(in Phase);也就是说,siRNA 以规则的间隔映射到基因组,这是 Dicer 从长前体进行切割的结果。
  植物中最典型的 phasiRNAs 是反式作用 siRNAs(tarns-siRNAs),它通过调节生长素信号在发育中发挥作用。禾本科植物的生殖组织包含 21 和 24 nt phasiRNAs,它们来自于数百个基因位点编码的非编码前体。21 nt phasiRNA 由miR2118 触发,主要在减数分裂前的花药组织中富集;它们起源于花药的表皮层,但在表皮下积累。24 nt phasiRNA 在花药组织减数分裂阶段大量存在,主要由miR2275 触发。
  在玉米和水稻中,已有研究很好地阐述了雄性生殖组织中 21nt phasiRNA 的时空模式。这些生殖相关的 21nt phasiRNA 缺乏明显的或至少是有效的靶点,但在水稻雄性光敏不育中起重要作用。水稻中一种选择性地结合 21 nt phasiRNA的 Argonaute(AGO)蛋白的突变体是雄性不育的。这些研究数据表明,生殖相关前减数分裂 21 nt phasiRNA 的功能是雄性生殖发育所必需的。
  对生殖相关 21 nt phasiRNA 的进化起源研究很少。它们在单子叶植物中的存在是清楚的,但在几个研究充分的双子叶物种中,包括十字花科(Brassicaceae)、蝶形花科(Fabaceae)和茄科(Solanaceae),未发现生殖相关 21 nt phasiRNA。
  近日,Nature communications 在线发表了世界著名植物分子生物学家Dr.Blake Meyers 的研究团队题为“Pre-meiotic 21-nucleotide reproductive phasiRNAs emerged in seed plants and diversified in flowering plants”的研究报告。
  前期工作中,该研究小组在裸子植物挪威云杉中发现了一组非编码基因座它们是 miR2118 的靶标,产生 21-nt phasiRNA,并且在雄球果中大量富集。
  在本文中,研究者报告了在双子叶植物广泛存在的生殖相关 21 nt phasiRNA途径,包括该途径的典型和非典型 miRNA 触发器。在基础真双子叶植物耧斗菜(Aquilegia coerulea)中,发现生殖组织产生大量典型触发因子 miR2118/482和谱系特异性 miR14051 产生的 PhasirRNA。此外,miR2118/482 家族从耧斗菜NLR 基因中触发 21-nt phasiRNA,这在种子植物,特别是双子叶植物中,是保守的。miR2118/482 衍生的 NLR PhasirRNA 途径也在野生草莓(Fragaria vesca)和玫瑰(Rosa chinensis)中发现,尽管该 miRNA 家族在产生生殖相关 21-nt phasiRNA 中的作用几乎完全转移到 miR11308。在亚麻中,发现只miR2118/482
触发生殖相关 21-nt phasiRNA 生物产生,这与该物种中典型触发因子的保守作用一致。
  基于上述结果,该文章提出了一个模型,说明不同物种中的不同触发因子如何在种子和开花植物中产生生殖相关 21 nt phasiRNA。所有这些触发因子都是从尿嘧啶开始的,长度为 22 nt。AGO5 分支的家族成员可能携带 21 nt phasiRNA,这些 RNA 被预测同时在顺式和反式调控起作用,以进行转录调节。与禾本科植物中定位于表皮的 miR2118 不同,miR11308 定位于减数分裂前花药中的基质细胞中,表明基质细胞是这些减数分裂前 phasiRNA 的起源。
  尽管在芸苔科、茄科和豆科等研究充分的真双子叶植物科中没有这种途径,但对子叶植物的研究支持了在裸子植物云杉中的发现,表明生殖相关 21 nt phasiRNA 途径出现在种子植物中,甚至可能起源于种子植物,在 24 nt phasiRNA之前就已经出现。但在某些进化谱系中丢失。
  miRNA 触发器在 AGO 蛋白的帮助下启动 Pol II 转录本的切割,产生 3′端切割片段,RDR6 处理这些片段生成双链 RNA。DCL4 将这些双链分子切割成 21 nt双链体,从裂解位点开始(用虚线表示)。在裸子植物、单子叶植物和一些真双子叶植物(如亚麻)中,miR2118 是产生生殖相关 21 nt phasiRNA 的唯一触发因子,而在耧斗菜、玫瑰和野生草莓中,有一个谱系特异性 miRNA 触发因子发挥这一作用(miR11308)。根据在其他物种中的作用,AGO1 和 AGO5 的家族成员可能分别装载触发 miRNA 和 21 nt phasiRNA。根据对单子叶植物的研究,预测这些机制产生的 phasiRNA 在顺式和反式中都起作用,以调节基因表达。
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