丁一倞团队首次揭示体内RNA二级结构对调控前体mRNA加工的作用

来源：BioArt植物

在经典的中心法则里，mRNA分子只作为遗传信息的中间载体，被转录和翻译。由于mRNA分子是一条长的单链核酸，本身的物理性质决定了其能够折叠成复杂的空间结构。越来越多的研究表明，RNA高级结构在基因表达过程中起着至关重要的调控作用。但由于研究技术的限制，目前对mRNA结构的调控作用了解并不深入。近年来，随着RNA结构组学技术的进步，使得在全基因组水平上解析RNA结构的生物学功能成为可能【1】。

在真核生物中，前体mRNA （pre-mRNA）被转录后要经过剪接（splicing）和多聚腺苷酸化（polyadenylation）才能形成具有正常功能的成熟mRNA。剪接位点和多聚腺苷酸化位点的精确识别，是前体mRNA加工的关键。但这些位点的序列保守性不足以将其和其他序列精确区分开，人们对剪接位点和多聚腺苷酸化位点的精确识别机制认识尚不深入【2】。RNA结构是RNA本身的物理性质，能够影响和RNA相关的所有生物学过程，理论上可以作为一种普遍和精确的调控机制。一些体外单基因的研究表明，RNA结构可以影响剪接和多聚腺苷酸化【3】。但RNA结构调控剪接和多聚腺苷酸化位点识别的具体机制和普遍性，目前尚不清楚。

近日，英国约翰英纳斯研究中心丁一倞团队在Genome Biology在线发表了题为In vivo nuclear RNA structurome reveals the RNA-structure regulation of mRNA processing in plants的研究论文，首次揭示了体内RNA二级结构对调控前体mRNA加工的作用。

在该研究中，研究人员开发了拟南芥细胞核内RNA二级结构检测的新方法（图1），在全基因组水平上鉴定到了调控pre-mRNA 剪接及和多聚腺苷酸化相关的RNA二级结构。

图1利用Nuc-SHAPE-Structure-Seq技术能够准确检测活细胞中细胞核RNA的二级结构

研究人员首先通过完整细胞核分离，富集了尚未发生剪接和尚未发生多聚腺苷酸化的pre-mRNA。通过对比pre-mRNA和成熟mRNA的结构组学数据，发现这两类mRNA二级结构有所不同，尤其在翻译起始和终止的位置结构差异较大。这预示着mRNA可能在不同加工阶段对自身二级结构的需求不同。接着通过对pre-mRNA的全基因组分析发现，能够成功被剪接的内含子，其5’剪接位点上游的两个碱基以及3’剪接位点附近的分支位点（branching point）倾向于呈单链状态。而剪接效率低的内含子，这两个位点倾向于呈双链状态。这两个位点的单链状态也分别和可变剪接事件中的5’和3’剪接位点的选择显著相关。通过人工创造突变来改变RNA结构的技术，研究人员发现，改变5’剪接位点上游两个碱基的单链/双链状态能够成功实现对内含子剪接的调控，进一步确定5’剪接位点上游两个碱基的结构能调控剪接（图2）。另外，研究人员还发现多聚腺苷酸化过程中的两个重要位点：PAS motif (PolyA signal motif)和cleavage site在全基因组水平上也倾向于呈单链状态（图2）。植物的多聚腺苷酸化和动物不同，植物并不具有典型的PAS motif consensus序列，推测这两个位点的单链状态可能和拟南芥中polyA位点的识别有关【4】。

图2 pre-mRNA剪接（a）和多聚腺苷酸化（b）相关的RNA二级结构

综上所述，该研究在全基因组水平上鉴定到了和剪接以及多聚腺苷酸化相关的pre-mRNA二级结构特征，并用实验验证了一个可以调控剪接的mRNA二级结构，为进一步揭示RNA结构参与前体mRNA加工的具体机制奠定了基础。

英国约翰英纳斯研究中心（JIC）的刘振山博士和刘奇博士并列为该论文的第一作者。JIC的终身研究员丁一倞博士为该论文的通讯作者。杨小飞博士，张月莹博士和陈晓曦博士等参与了部分工作。东北师范大学张铧坤教授也参与并支持了此项研究工作。该研究得到了英国生物科学与技术委员会，欧洲科学研究委员会，诺里奇科技园基金，玛丽居里基金等的经费支持。

参考文献

1. Ding Y, Kwok CK, Tang Y, Bevilacqua PC, Assmann SM. Genome-wide profiling of in vivo RNA structure at single-nucleotide resolution using structure-seq. Nat Protoc. 2015;10(7):1050-1066.

2. Roca X, Krainer AR, Eperon IC. Pick one, but be quick: 5' splice sites and the problems of too many choices. Genes Dev. 2013;27(2):129-144.

3. Rubtsov PM. Role of pre-mRNA secondary structures in the regulation of alternative splicing. Molecular Biology. 2016;50(6):823-830.

4. Loke JC, Stahlberg EA, Strenski DG, Haas BJ, Wood PC, Li QQ. Compilation of mRNA polyadenylation signals in Arabidopsis revealed a new signal element and potential secondary structures. Plant Physiol. 2005;138(3):1457-1468.