加州大学陈雪梅与深圳大学刘琳揭示了小RNA在细胞质中的亚定位模式

来源：植物科学最前沿

2021年1月5日，Genome Biology 发表了以加州大学陈雪梅院士与深圳大学刘琳为共同通讯作者的题为“Widespread occurrence of microRNA-mediated target cleavage on membrane-bound polysomes”的研究论文。该论文揭示了在玉米和水稻中不同类型的核糖体介导了不同类型的小RNA在细胞质中的分区聚集，从而行使它们不同的功能。

研究背景

植物Small RNA（sRNA）是指植物细胞内长度为20~24nt的小片段RNA，其广泛参与植物的生长、发育和生殖等过程。植物中sRNA的主要成员有siRNA（小的干扰RNA）和microRNA（miRNA），而phased siRNA（相位siRNA，即phasiRNA）是siRNA中重要的一类，与植物生长发育或抗病等密切相关。此外，sRNA，包括miRNA和siRNAs作为核心成员在植物转录和转录后水平基因沉默发挥作用，但是它们的亚细胞定位尚未得到充分的研究，从而限制了人们对sRNA活动方式与功能的理解。

主要研究结果

1. 作者分析了玉米(Zea mays, 自交系B73)和水稻(Oryza sativa, cv. “Nipponbare”)中sRNA在细胞质中的亚细胞定位。通过对多核糖体相关的（polysome-associated） sRNA和3' 裂解片段（3′ cleavage fragments）进行高通量测序，发现miRNA和21/22-nt siRNAs浓缩在膜结合的多核糖体(MBPs)上，而不是主要聚集在总多核糖体（TPs）上。 

2. 作者发现大部分siRNA是由转座因子（TEs）产生的，与转座子相反，逆转座子对TE-siRNA在MBPs上积聚起了积极作用。此外，作者比较了聚集于TPs和MBPs的miRNA丰度来确定miRNA是否也与多核糖体之间存在关系，结果表明在MBPs上观察到miRNA介导的靶向切割广泛发生，并且在MBPs上进行的很大一部分切割事件是独特的。

3. 作者在MBPs上观察到育性相关的21PHAS（21-nt phasiRNA-generating）和24PHAS（24-nt phasiRNA-generating）前体（通常被认为是非编码RNA ，并且能与多核糖体结合）；以及发现在MBPs上，miR2118对21PHAS前体和miR2275对24PHAS前体的高频裂解的作用。相对于TPs，育性相关的21-nt phasiRNA结合于MBP上，而24-nt phasiRNA几乎没有聚集在多核糖体上。

一图解文

miRNA介导的靶向切割与RNA降解或育性相关phasiRNA生物合成的模型

miRNA-AGO1复合物作用于细胞质中不同位置的靶向转录物（a）miRNA介导AGO1蛋白独立切割靶向转录物，以在MBP和FPs（游离核糖体）以及细胞质中降解；（b）miRNA，例如miR2118或miR2275可以介导AGO1蛋白裂解在MBPs上的21PHAS 或24PHAS 前体，然后产生phasiRNA的裂解片段从MBPs上解离，并通过先前鉴定的参与者（例如SGS3，RDR6，HEN1，DCL4和DCL5）介导phasiRNA的产生。21-nt phasiRNA 被转运到AGO蛋白（例如水稻的MEL1）中，并可以在MBP和FP以及细胞质中切割目标转录物。该研究显示24-nt phasiRNA是不与多核糖体结合的，但其功能仍然未知。

21PHAS：21-nt phasiRNA-generating 位点；24PHAS：24-nt phasiRNA-generating 位点；   AGO：ARGONAUTE；DCL：DICER-LIKE;   FP：游离多核糖体；HEN1：HUA ENHANCER 1；MBP：膜结合多核糖体；MEL1：MEIOSIS ARRESTED AT LEPTOTENE 1;     RDR6：RNA诱导的RNA聚合酶6；SGS3：基因沉默抑制剂3

研究意义

该项研究首次揭示了在单子叶植物中sRNA的亚细胞分区，表明了MBP介导的积累作用是sRNA胞质内分配的一种保守模式，证明了内质网（ER）结合的核糖体功能的独立调控功能。此外，作者发现在MBPs上，miR2118对21PHAS 前体和miR2275对24PHAS 前体的高频裂解作用产生的21-nt 和24-nt phasiRNA在细胞质和多核糖体之间有明显的分区，这再次表明结合ER的核糖体在phasiRNA的生物合成和功能中具有重要而广泛的作用。这些发现为sRNA的作用方式提供了新的见解，并加深了对ER功能的理解。